книги / Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

3.5. КРЕМНИСТЫЕ БРОНЗЫ

Предельная растворимость кремния в ме­ ди достаточно высока: 5,3 % при температуре

перитектического равновесия 852 °С. С пони­ жением температуры она уменьшается и при 20 °С составляет около 3,5 %. Поскольку вто­ рая фаза у сильно уменьшает технологичность

сплавов системы Cu-Si, то в кремнистые брон­ зы вводят не более 3 % Si.

Двойные сплавы системы Cu-Si не при­ меняются. Среди кремнистых бронз наиболь­ шее распространение получили бронзы, допол­ нительно легированные никелем и марганцем (см. табл. 3.14). Добавки этих элементов улуч­

шают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз.

В кремнемарганцовистой бронзе БрКМцЗ-1 добавка марганца (1,0... 1,5 % Мл) практически полностью находится в а-твердом растворе4, поэтому полуфабрикаты из этого сплава упрочняющей термической обработке не подвергаются.

4 В бронзе БрКМцЗ-1 имеется небольшое ко­ личество промежуточной фазы Mn3Si, обладающей переменной растворимостью в медном а-растворе, поэтому сплав можно подвергать закалке и старе­ нию, но эффект от такой обработки небольшой и на практике не применяется [25].

Никель с кремнием образует соединение Ni2 Si, растворимость которого резко уменьша­ ется с понижением температуры. Бронза БрКН1-3 относится к числу термически уп­ рочняемых сплавов (см. табл. 3.16). Упрочне­ ние при старении (450 °С в течение 1 ч) после закалки с 850 °С обеспечивает силицид Ni2 Si.

Кремнистые бронзы БрКМцЗ- 1 и БрКН1 - 3 отличаются высокими пружинящими и анти­ фрикционными свойствами, хорошей коррози­ онной стойкостью. Они технологичны: отлич­ но обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, хорошо свариваются с бронзой и сталью, легко паяются мягкими и твердыми припоями.

Полуфабрикаты из бронзы БрКМцЗ-1 в виде прутков, проволоки, полос, листов и лент различных размеров применяют в приборо­ строении, химическом и общем машинострое­ нии, морском судостроении для изготовления пружин и пружинящих деталей, металлических сеток, антифрикционных деталей и т.д.

3.6. МАРГАНЦЕВЫЕ БРОНЗЫ

Марганцевые бронзы, содержащие до 2 0 % марганца, при всех температурах в твер­ дом состоянии являются однофазными (рис. 3.28). Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации меди (на 150...200 °С) и улучшает характеристики жаропрочности.

Рис. 3.28. Диаграмма состояния системы Cu-Mn [142]

Наибольшее распространение в промыш­ ленности получила бронза БрМц5. Она хорошо обрабатывается давлением в горячем и холод­ ном состояниях, имеет высокую коррозионную стойкость и сохраняет высокие свойства при повышенных температурах.

В табл. 3.22 приведены виды полуфабри­ катов из безоловянных бронз, обрабатываемых давлением, которые применяются в промыш­ ленности.

4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ

Литейные медные сплавы нашли широ­ кое применение в технике благодаря хорошим механическим и литейным свойствам. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошим сопротивлением износу, имеют низ­ кий коэффициент трения и хорошую притираемость в паре с другими, более твердыми материалами. Доля фасонных отливок из мед­ ных сплавов составляет примерно 15 % от про­ изводства всех отливок из сплавов на основе цветных металлов.

Для изготовления фасонных отливок ис­ пользуются три группы медных сплавов: оло­ вянные бронзы, безоловянные бронзы и лату­ ни. Отливки из медных сплавов изготовляют всеми известными в настоящее время способа­ ми литья [114].

Маркировка литейных медных сплавов производится с помощью букв, обозначающих элемент, и цифр, указывающих среднее содер­ жание элемента в процентах. Цифры ставят сразу после буквы, обозначающей название элемента. Приняты следующие обозначения легирующих элементов: О - олово, А - алюми­ ний, Ц - цинк, Ф - фосфор, С - свинец, Ж - железо, Н - никель, К - кремний, Мц - марга­ нец, Мш - мышьяк, Кд - кадмий. Маркировка бронзы начинается с букв «Бр» - бронза, лату­ ней - с буквы «Л» - латунь. Например, литей­ ная латунь ЛЦЗОАЗ содержит 30 % Zn, 3 % А1, Си - основа; бронза БрОбЦбСЗ - 6 %Sn, 6 % Zn, 3 % Pb, Си - основа. Если одна и та же бронза используется в деформируемом и ли­ тейном варианте, то в конце марки литейной бронзы ставиться буква «Л»: БрА10Ж4Н4Л.

4.1.1. Оловянные бронзы

Марки литейных оловянных бронз и их химический состав приведены в табл. 4.1, за­ рубежные аналоги - в табл. 4.2. Фазовый со­ став и структура литейных оловянных бронз определяется диаграммой состояния Cu-Sn (см. рис. 3.1), а также многокомпонентными системами Cu-Sn-P (рис. 4.1) и Cu-Sn-Zn- (Pb).

Основной структурной составляющей промышленных сплавов является а-твердый раствор олова и других легирующих элементов в меди с гранецентрированной кубической решеткой. В равновесии с a-твердым раство­ ром в зависимости от температуры находятся промежуточные интерметаллидные фазы - р, у, 5 и с. Фазы р и у являются высокотемператур­ ными и при охлаждении претерпевают эвтектоидный распад: превращение р-фазы (Р —►а + у) осуществляется при температуре 586 °С, а у-фазы (у —►а + 5) - при 520 °С (см. рис. 3.1). Поэтому в структуре литейных оло­ вянных бронз при нормальной температуре данные интерметаллидные фазы не фиксиру­ ются.

Фаза 5 (Cu3 ,Sn8) при температуре 350 °С в свою очередь должна распадаться по эвтектоидной реакции 8 —►а + е. Однако эта реакция при реальных скоростях охлаждения (2 0 ...

500 °С/мин), с которыми охлаждаются фасон­ ные отливки в промышленных условиях, по­ давляется, и 5 (Сиз1Бп8)-фаза сохраняется до нормальной температуры, а сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была постоянна (~ 8 %) и не изменялась с тем­ пературой. В соответствии с этим на диаграм­ ме состояния системы Cu-Sn (см. рис. 3.1)

СПЛАВОВ МЕДНЫХ ЛИТЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЩАЯ

-

-

С92500

С92900

штриховыми линиями показан неравновесный солидус и отмечено смещение границы раство­ римости олова в a-твердом растворе к медному углу и исключена эвтектоидная реакция при температуре 350 °С.

Таким образом, структура бронз, содер­ жащих менее 8 % Sn, представляет собой а-твердый раствор с дендритным строением кристаллитов с неравномерным распределени­

ем компонентов вследствие дендритной ликва­ ции. При содержании более 8 % Sn структура сплава состоит из a-твердого раствора и эвтектоида (а + б).

Появление эвтектоида, содержащего твердую интерметаллидную фазу 6 (Cu3 1 Sn8), вызывает повышение твердости и прочности сплавов. Максимум значений этих свойств достигается при 20...25%Sn (рис. 4.2). Пла-

Рис. 4.2. Влияние содержания олова на механические свойства литых сплавов

системы Cu-Sn.

Исходный материал - литье в кокиль [72]

стичность сплавов с увеличением содержания олова сначала возрастает, достигая максималь­ ных значений при 5...7 % Sn, а затем резко снижается. Это определяет содержание олова в литейных бронзах: в стандартных сплавах об­ щего назначения верхний предел равен 8...10%Sn (ГОСТ 613-79), в высокопрочных бронзах, которые не включены в Государст­ венный стандарт, - до 16... 19 % Sn. Нижний предел легирования (2...3% Sn) определяется необходимостью получения минимального растворного упрочнения (см. табл.4.1).

Кроме химического состава, на свойства литейных оловянных бронз существенное влияние оказывает структурный фактор: раз­ меры и форма зерен а-раствора, расположение

идисперсность (а + 5 )-эвтектоида в отливке. Размеры и количество выделений эвтектоида в структуре слитка зависят не только от содер­ жания олова, но и от условий затвердевания расплава: чем быстрее происходит затвердева­ ние, тем больше количество эвтектоида (а + 8 )

идисперснее частицы этой структурной со­ ставляющей. С увеличением количества эвтек­ тоида прочность бронзы возрастает до опреде­

ленного предела, а пластичность снижается. В бронзах, не содержащих эвтектоид, относи­ тельное удлинение составляет 6... 1 0 %, появ­

эвтектоида (а + б) обеспечивает высокую стой­

кость бронз против истирания и высокие анти­ фрикционные свойства.

Оловянные бронзы применяют для паро­ водной арматуры, работающей под давлением, и для литья антифрикционных деталей, под­ шипников, шестерен и зубчатых колес, рабо­ тающих в условиях истирания (см. табл. 4.1).

Характерная особенность этой группы литейных медных сплавов - большой интервал кристаллизации (150...200 °С), что обусловли­ вает образование в отливках рассеянной уса­ дочной пористости и невысокой жидкотекучести: она значительно ниже, чем у алюминие­ вых бронз. Минимальную жидкотекучесть имеют бронзы, содержащие 10... 12 % Sn, что соответствует максимальному интервалу меж­ ду температурами ликвидуса и солидуса в ус­ ловиях неравновесной кристаллизации этих сплавов (штриховые линии диаграммы состоя­ ния системы Cu-Sn (см. рис. 3.1)).

В оловянных бронзах образуется значи­ тельная усадочная пористость и очень неболь­ шая усадочная раковина, что обусловливает малую линейную усадку - самую низкую из всех известных сплавов (~ 1 % при литье в песчаные формы). Это позволяет получать сложные по конфигурации фасонные отливки с четким воспроизведением рельефа формы при художественном литье, а также отливки с рез­ кими переходами от толстых сечений к тонким. Отливки в кокиль получаются более плотными, и линейная усадка существенно возрастает. В большинстве случаев горячеломкость отливок невелика. В целом оловянные бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать сложные по конфигурации фасонные отливки [1 0 , 114].

В литейных бронзах стремятся умень­ шить содержание дефицитного олова, заменяя его более дешевыми и менее дефицитными элементами. В группе стандартных литейных оловянных бронз (см. табл. 4.1) двойные спла­ вы системы Cu-Sn отсутствуют: для улучше­ ния механических, технологических и служеб­ ных характеристик бронзы дополнительно легируют цинком, фосфором, свинцом и нике­ лем.

Одним из основных легирующих элемен­ тов литейных оловянных бронз является цинк. Его вводят в количестве 2... 12 %, и он благо­ приятно влияет на комплекс свойств, в том числе механических и литейных. Кроме того, цинк позволяет экономить более дефицитное и

дорогое олово, частично заменяя его в сплавах. При затвердевании отливок цинк входит в твердый раствор и (при постоянном содержа­ нии олова) несколько повышает прочность и пластичность сплавов. Однако следует иметь в виду, что олово является более сильным упрочнителем, чем цинк, поэтому замена каждого процента олова на такое же содержание цинка неравноценна с точки зрения прочностных свойств. Частичная замена олова цинком за­ метно уменьшает интервал кристаллизации бронз. Это приводит к улучшению литейных свойств: повышается жидкотекучесть, возрас­ тает плотность отливок, уменьшается склон­ ность к обратной ликвации. Кроме того, цинк способствует более равномерному распределе­ нию включений свинца в структуре отливок. Возрастает коррозионная стойкость бронзы в морской воде. При содержании более 8 % Sn и в присутствии цинка несколько снижается пла­ стичность бронз из-за увеличения в их струк­ туре твердой и хрупкой 6 (Си3 1 8 п8)-фазы из эвтектоида (а + 8 ), так как цинк уменьшает растворимость олова в меди.

Фосфор в литейные оловянные бронзы вводят в значительно большем количестве (до 1,2%), чем в деформируемые. Он улучшает литейные и антифрикционные свойства бронз. Являясь хорошим раскислителем, фосфор так­ же понижает температуру плавления (см. рис. 4.1) и повышает жидкотекучесть оловянных бронз. Поэтому высокофосфористые бронзы особенно пригодны для художественного ли­ тья. Кроме того, фосфор является сильным упрочнителем как по растворному механизму, так и вследствие образования химических со­ единений. В оловянных бронзах, легированных фосфором, образуется фосфид меди (Си3 Р), который, наряду с 8 -фазой, обладает высокой твердостью и обеспечивает повышение износо­ стойкости, создавая необходимые условия для хорошей работы литых антифрикционных де­ талей узлов трения (втулки, вкладыши, червяч­ ные колеса и др.) и подшипников.

Добавки свинца повышают плотность и улучшают герметичность отливок, а также антифрикционные свойства, но снижают проч­ ность и пластичность оловянных бронз. Сви­ нец практически не растворим в бронзе в твер­ дом состоянии. При кристаллизации сплава он выделяется как самостоятельная фаза, распола­ гаясь между дендритами и заполняя поры уса­ дочного происхождения. При этом повышается

плотность и способность к обработке резанием. Свинец образует мягкую составляющую, кото­ рая играет роль смазки в трущихся поверхно­ стях деталей, работающих в условиях трения. Поэтому свинец - непременный легирующий элемент оловянных бронз, применяемых для изготовления подшипников скольжения. Оло­ вянно-свинцовые бронзы являются одним из лучших антифрикционных материалов, так как олово обеспечивает достаточную прочность и износостойкость сплава, а свинец - хорошую прирабатываемость [10, 78].

Небольшие добавки никеля (до 1 %) по­ вышают механические свойства, уменьшают ликвацию в оловянно-свинцовых бронзах, т.е. ослабляют отрицательное влияние свинца, улучшают коррозионную стойкость и измель­ чают зерно в отливках.

Оловянные бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных ус­ ловиях, в морской и пресной воде и противо­ стоят большому количеству химических рас­ творов (органические кислоты, разбавленная серная и фосфорная кислоты, растворы едкого калия, хлористый аммоний, сложные эфиры, спирты, нефтяные растворители и т.д.). Они не подвержены, как латуни, обесцинкованию при работе в морской воде и в этом отношении являются уникальным коррозионно-стойким материалом. Сопротивление коррозии улучша­ ется с увеличением содержания олова в брон­ зах, в то время как цинк уменьшает сопротив­ ление коррозии при работе в морской воде.

Основные сведения о режимах литья и свойствах литейных оловянных бронз даны в табл. 4.2...4.5.

4.1.2. Безоловянные бронзы

Среди литейных безололвянных бронз наибольшее распространение получили алю­ миниевые бронзы (табл. 4.7, 4.8). Они отлича­ ются высокой прочностью и хорошими анти­ фрикционными и коррозионными свойствами. Алюминиевые бронзы применяются для изго­ товления деталей, работающих в особо тяже­ лых условиях, из них изготовляют гребные винты крупных судов, тяжелонагруженные шестерни и зубчатые колеса, корпуса насосов, червяки, работающие в паре с деталями из азо­ тируемых и цементируемых сталей, подшип­ ники, работающие при высоких удельных на­ грузках.

4.3. Гарантируемые свойства литейных оловянных бронз (ГОСТ 613-79)

П - литье в песчаную форму; К - литье в кокиль.

Благодаря хорошему комплексу свойств и меньшей стоимости алюминиевые бронзы по­ степенно вытесняют оловянные бронзы.

Многие марки алюминиевых бронз ис­ пользуются как деформируемые и как литей­ ные сплавы. Деформируемые и литейные брон­ зы одной марки различают по содержанию примесей. В литейных сплавах допускается большее содержание примесей.

Особенности структуры и многие свойст­ ва литейных алюминиевых бронз могут быть объяснены с помощью диаграммы состояния системы Си-Al (см. рис. 3.9). Растворимость алюминия в меди в твердом состоянии не­ сколько ниже, чем олова. При эвтектической температуре 1037 °С она составляет 7,5 % и увеличивается при понижении температуры, достигая предельных значений 9,4 % при

565 °С. При дальнейшем понижении темпера­ туры растворимость алюминия в меди практи­ чески не изменяется. Следовательно, диспер­ сионное упрочнение двойных сплавов системы Си-Al за счет изменения растворимости невоз­ можно.

Высокотемпературная P-фаза представля­ ет собой твердый раствор на основе соедине­ ния Си3 А1. Она кристаллизуется непосредст­ венно из жидкости. При температуре 565 °С p-фаза претерпевает эвтектоидный распад по реакции: р —>а + у2, где фаза у2 также является твердым раствором на основе твердого и очень хрупкого интерметаллида C119AI4 . Появление этой фазы в составе эвтектоида (а + у2) в струк­ туре алюминиевых бронз приводит к повыше­ нию прочности, которая достигает максималь­ ных значений при 11 % А1 (рис. 4.3). Дальней­ шее повышение содержания алюминия в спла­ вах приводит к понижению прочности из-за развития хрупкости, а твердость продолжает увеличиваться.

Пластичность сплавов, содержащих до 8 ...9 % А1 (что соответствует предельной рас­ творимости алюминия в медных отливках в неравновесном состоянии), сохраняется на высоком уровне. При большем содержании алюминия пластичность сплавов резко падает из-за увеличения объемной доли эвтектоида (а + у2) в структуре. Упрочнение сплавов осу­ ществляется по растворному механизму, а так­ же в результате образования небольшого коли­ чества эвтектоида (а + у2) в структуре бронз с высоким содержанием алюминия. Алюминий является более сильным упрочнителем твердо­ го раствора, чем олово.

кси,

нв МДЖ/М2

200 2.8

150 2.4

100 2.0

50 1,6

1,2

0 .8

0,4

0

Рис. 4.3. Влияние содержания алюминия на механические свойства литых сплавов системы Cu-AI.

Исходный материал - литье в кокиль [92]