Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Сплавы художественного литья – БХ1, БХ2, БХЗ (четвертая груп-

па) наиболее подходят для изготовления художественных изделий. Бронза

достаточно жидкотекуча, хорошо заполняет самые сложные формы, обла-

дает очень небольшой усадкой при затвердевании и поэтому хорошо пере-

дает форму изделия. Эти бронзы отличаются красивым цветом, сохраняю-

щимся благодаря их высокой коррозионной стойкости достаточно долгое

время. На поверхности бронз под воздействием естественной среды обра-

зуется патина – тончайшая оксидная пленка различных цветовых оттенков,

от зеленого до темно-коричневого. Патина придает бронзовым скульпту-

рам и декоративным изделиям красивую ровную окраску.

Найдены бронзовые статуи, отлитые 5 тыс. лет назад. В древнем

Египте зеркала делали из бронз. И в настоящее время металлические зер-

кала в ответственных оптических инструментах делают из зеркальной

бронзы. Сплав Cu–9–11 % Sn–2 % Zn называли пушечной бронзой.

Основные виды термической обработки бронз – гомогенизация и

промежуточный отжиг. Основная цель этих операций – облегчение обра-

ботки давлением. Гомогенизацию проводят при 700–750

С с последую-

щим быстрым охлаждением. Для снятия остаточных напряжений в отлив-

ках достаточно 1 ч отжига при 250

С. Промежуточный отжиг при холод-

ной обработке давлением проводят при температурах 550–700

С.

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы по распространенности в промышленности

занимают одно из первых мест среди медных сплавов. В меди растворяется

довольно большое количество алюминия (рис. 2.13): 7,4 % при 1035

С;

9,4 % при 565

С и около 9 % при комнатной температуре. Фаза β пред-

ставляет соединение Сu

А1 электронного типа с электронной концентра-

цией 3/2. Эта фаза является аналогом β-латуни и имеет ОЦК решетку. При

температуре 565

С β-фаза претерпевает эвтектоидный распад β → α + γ

где γ

– это фаза на основе электронного соединения Сu

А1

с электронной

концентрацией 21/13.

С увеличением содержания алюминия прочностные свойства спла-

вов повышаются. Сплавы с α-структурой хорошо обрабатываются давле-

нием как при высоких, так и при низких температурах, но их прочность

невелика. Фаза γ

имеет очень высокую твердость и ничтожную пластич-

ность, поэтому, когда в структуре сплавов появляется γ

-фаза, прочность

резко возрастает, а пластичность начинает падать.

Из-за ликвационных явлений снижение пластичности, обусловлен-

ное γ

-фазой, проявляется несколько раньше (начиная с 8 % А1), чем это

следует из равновесной диаграммы состояния. Оптимальными механиче-

скими свойствами обладают сплавы, содержащие 5–8 % А1. Наряду с по-

вышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность.

Алюминиевые бронзы, по сравнению с оловянными, имеют опреде-

ленные преимущества: меньшую склонность к дендритной ликвации;

большую плотность отливок; лучшую жидкотекучесть, а также более вы-

сокие прочность, жаропрочность и стойкость (коррозионную и противока-

витационную).

Кроме того, алюминиевые бронзы обладают меньшей склонностью

к хладноломкости и не дают искр при ударе.

% (по массе)

Рис. 2.13. Диаграмма состояния Cu–Al

К недостаткам алюминиевых бронз относят значительную усадку

при кристаллизации; склонность к образованию крупных столбчатых кри-

сталлов; сильное окисление в расплавленном состоянии, при котором об-

разуются оксиды алюминия, приводящие к шиферному излому в деформи-

рованных полуфабрикатах. Отрицательными качествами алюминиевых

бронз также считают вспенивание расплава при заливке в форму; труд-

ность пайки твердыми и мягкими припоями; недостаточную коррозионную

стойкость в перегретом паре.

Для устранения указанных недостатков алюминиевые бронзы до-

полнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

В сплавах Сu–Аl–Fе со стороны меди растворяется до 4 % Fе. При

одновременном легировании алюминиевых бронз никелем и марганцем

растворимость железа в α-фазе снижается и при меньших его содержаниях

появляется железистая составляющая. Железо повышает прочностные

свойства алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности,

сильно измельчает зерно при кристаллизации и рекристаллизации. При

медленном охлаждении в сплавах, содержащих 8–11 % А1, эвтектоидный

распад β-фазы приводит к (α + γ

)-структуре с крупными кристаллами

-фазы, что вызывает хрупкость. Железо замедляет эвтектоидный распад

β-фазы и тем самым препятствует развитию хрупкости.

Сплавы меди, легированные алюминием и железом, наиболее пла-

стичны после нормализации с 600–700

С, которая уменьшает количество

эвтектоида в структуре. После закалки с 950

С сплавы также отличаются

высокой пластичностью, так как их структура представлена α- и β-фазами.

Последующее старение при 250–300

С приводит к распаду β-фазы с обра-

зованием тонкодисперсной эвтектоидной смеси, что сопровождается по-

вышением прочности и уменьшением пластичности.

Марганец растворяется в алюминиевых бронзах в больших количе-

ствах (до 10 %). Марганец повышает прочность бронз, их пластичность,

коррозионную стойкость, антифрикционные свойства, способность к хо-

лодной обработке давлением. Двойные сплавы меди с алюминием не обра-

батываются давлением в холодном состоянии, если содержание алюминия

превышает 7 %. Тройная бронза БрАМ9-2 хорошо обрабатывается давле-

нием как в горячем, так и в холодном состоянии.

Никель сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при по-

нижении температуры. Поэтому медные сплавы, одновременно легирован-

ные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической

обработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения интерметал-

лидов Ni

А1 и NiА1. Никель улучшает механические свойства и коррози-

онную стойкость алюминиевых бронз, повышает температуру их рекри-

сталлизации и жаропрочные свойства. Сплавы меди, легированные алю-

минием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие

антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Небольшие содержания титана увеличивают плотность отливок и

их прочность. Благоприятное влияние титана на свойства бронз обуслов-

лено его действием как дегазатора, уменьшающего газонасыщенность рас-

плава, и модификатора, измельчающего зерно.

Цинк заметно снижает антифрикционные и технологические свой-

ства алюминиевых бронз и поэтому является нежелательной примесью.

Механические свойства некоторых алюминиевых бронз приведены

в табл. 2.9, 2.10.

Наиболее пластичная и наименее прочная бронза – БрА5. Она легко

деформируется при всех видах обработки давлением. Меньшей, но доста-

точно высокой обрабатываемостью давлением отличаются бронзы БрА7 и

БрАМц9-2, предназначенные для получения прутков, листов и лент. Ос-

тальные бронзы (БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4) деформиру-

ются только в горячем состоянии, так как в их структуре довольно много

эвтектоида (до 30–35 %). Вместе с тем, благодаря эвтектоиду и желези-

стым включениям, антифрикционные свойства и прочность этих бронз

выше, чем у перечисленных выше сплавов.

Таблица 2.9

Типичные механические свойства деформируемых

безоловянных бронз и медно-никелевых сплавов*

Сплавы Марка

Механические свойства

, МПа δ, % КСU, МДж/м

Алюминиевые бронзы

БрА5 380 65 1,1

БрА7 420 70 –

БрАМц9-2 420 25 –

БрАЖ9-4 550 40 –

БрАЖМц10-3-1,5 600 20 0,6

БрАЖН10-4-4 650 35 0,42

Кремнистые бронзы

БрКМцЗ-1 400 60 1,5

БрКН1-3 350 30 –

Марганцевая бронза БрМц5 300 40 –

Мельхиор МНЖМц30-1-1 400 25 –

Мельхиор МН19 400 35 –

Нейзильбер МНЦ15-20 415 40 –

Нейзильбер свинцовый МНЦС-16-29-1,8 400 40 –

Куниаль А МНА13-3 380 13 0,5

Куниаль Б МНА6-1,5 360 28 1,2

*В отожженном состоянии.

Таблица 2.10

Механические свойства литейных безоловянных бронз

Марка сплава

, МПа δ, %

не менее

БрА9Мц2Л 390 20

БрА10Мц2Л 490 12

БрА9ЖЗЛ 490 12

БрА10ЖЗМц2 490 12

БрА11Ж6Н6 590 2

БрА10Ж4Н4Л 590 6

БрА9Ж4Н4Мц1 590 12

БрА7Мц15ЖЗН2Ц2** 610 18

БрС30 60 4

БрС60Н2,5 30 5

Литье в кокиль.

Литье в песчаную форму.

Из всех медно-алюминиевых сплавов наибольшим временным со-

противлением разрыву обладает бронза БрАЖ 10-4-4, которую применяют

и как деформируемую, и как литейную. Она жаропрочна и сохраняет удов-

летворительную прочность до 400–500

С (см. рис. 2.8). При температурах

до 250–400

С у бронзы БрАЖН10-4-4 наименьшая ползучесть по сравне-

нию с другими алюминиевыми бронзами.

Деформируемые полуфабрикаты применяют в состоянии поставки

или подвергают дорекристаллизационному либо рекристаллизационному

отжигу. Дорекристаллизационный отжиг алюминиевых бронз приводит к

повышению их упругих свойств. Большинство алюминиевых бронз отно-

сится к термически неупрочняемым сплавам. Исключение составляет

бронза БрАЖН 10-4-4, которая эффективно упрочняется закалкой с 980

с последующим старением при 400

С, 2 ч.

Бериллиевые бронзы

Бериллий обладает в меди уменьшающейся с понижением темпера-

туры растворимостью (рис. 2.14), поэтому бериллиевые бронзы термиче-

ски упрочняются.

Рис. 2.14. Диаграмма состояния

системы Сu–Ве

После закалки с температур, соответствующих α-области, структура

бериллиевых бронз становится пересыщенным α-твердым раствором. В за-

каленном состоянии бериллиевые бронзы отличаются высокой пластично-

стью и технологичностью, достаточной для холодной обработки давлением.

Распад пересыщенного α-твердого раствора начинается с обогаще-

ния плоскости (100) атомами бериллия, в результате чего образуются зоны

Гинье-Престона в форме диска, которые затем переходят в когерентные по

отношению к матрице тонкие пластинчатые образования промежуточных

γ"- и γ'-фаз, параллельные плоскостям (100)

. Фаза γ' характеризуется тет-

рагональной ОЦК решеткой с упорядоченным расположением атомов. По

мере развития процесса старения размеры выделений γ'-фазы увеличива-

ются, а тетрагональность ее решетки уменьшается. На определенной ста-

дии старения при повышенных температурах γ'-фаза теряет когерентность

с матрицей, тетрагональность ее решетки приближается к единице, и она

превращается в стабильную γ-фазу на основе интерметаллида СuВе. Наи-

большее упрочнение при старении обеспечивают выделения γ'-фазы в форме

пластинок толщиной 5–10 нм. Оптимальные размеры выделений γ'-фазы

формируются в результате старения при 320–340

С в течение 2–5 ч.

На рис. 2.15 приведена зависимость свойств сплавов Сu–Ве от содер-

жания бериллия после закалки с 780

С и старения при 300

С в течение 3 ч.

Оптимальными свойствами обладают сплавы, содержащие 2–2,5 % Ве.

При дальнейшем увеличении содержания бериллия прочность сплавов по-

вышается мало, а пластичность становится чрезмерно малой. Как и другие

дисперсионно-твердеющие сплавы, бериллиевые бронзы обладают наи-

лучшим комплексом свойств при содержании легирующих элементов,

близком к максимальной растворимости.

Рис. 2.15. Влияние бериллия на свойства

сплавов Сu–Ве после закалки с 780

С (1)

и старения при 300

С, 3 ч (2)

, МПа δ, % HV

Ве, % (по массе)

Пересыщенный α-твердый раствор в интервале температур 500–380

распадается очень быстро. Поэтому скорость охлаждения бериллиевых

бронз при закалке должна быть достаточно большой (обычно их закалива-

ют в воду). Нерезкое охлаждение в интервале температур 500–380

С при-

водит к частичному прерывистому распаду пересыщенного раствора с об-

разованием пластинчатых перлитообразных структур. Прерывистый рас-

пад нежелателен по двум причинам: а) сплавы охрупчиваются из-за лока-

лизации прерывистого распада по границам зерен; б) при последующем

старении уменьшается упрочнение, обусловленное непрерывным распадом

пересыщенного раствора, а эффект упрочнения от прерывистого распада

меньше, чем от непрерывного.

Бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем и титаном.

Никель образует малорастворимый бериллид никеля NiВе и уменьшает

растворимость бериллия в меди. Он замедляет фазовые превращения в бе-

риллиевых бронзах и облегчает их термическую обработку, так как отпа-

дает необходимость в крайне высоких скоростях охлаждения. Никель за-

держивает рекристаллизационные процессы в сплавах Сu–Ве, способству-

ет получению более мелкого рекристаллизованного зерна, повышает жа-

ропрочность. Титан образует соединения ТiВe

и Сu

Ti, которые обеспечи-

вают дополнительное упрочнение.

Бериллиевые бронзы отличаются высоким сопротивлением малым

пластическим деформациям из-за сильного торможения дислокаций дис-

персными частицами. С увеличением этого сопротивления уменьшаются

обратимые и необратимые микропластические деформации при приложен-

ном напряжении и, следовательно, релаксация напряжений. Все это приво-

дит к повышению релаксационной стойкости сплавов – основной характе-

ристики, которая определяет свойства упругих элементов.

Наибольшее распространение получили бронзы Бр Б2, БрБНТ1,7 и

БрБНТ1,9 (табл. 2.11). После упрочняющей термической обработки они

характеризуются высокими прочностными и пружинящими свойствами, а

также удовлетворительным сопротивлением ползучести и хорошей корро-

зионной стойкостью. Они обладают отличной износостойкостью, сохраняют

высокую электро- и теплопроводность. Эти сплавы мало склонны к хладно-

ломкости и могут работать в интервале температур от –200 до +250 °С.

Таблица 2.11

Механические свойства бериллиевых бронз

Марка бронзы

Закалка

Закалка и старение по оптимальному режиму

, МПа δ, %

, МПа

0,2

, МПа δ, %

БрБНТ1,9

БрБ2

БрБ2,5

БрБНТ1,7

400–500

300–400

38–45

38–40

–

45–50

1150–1250

–

1000–1100

700

600

650

400

4–6

–

5–7

По Ж.П. Пастуховой и А.Г. Рахштадт.

Сплавы меди с бериллием отличаются уникальным благоприятным

сочетанием высоких прочностных и упругих свойств, высокой электро- и

теплопроводности, высокого сопротивления разрушению и коррозионной

стойкости. Пружина из бериллиевой бронзы выдерживает 20 млн сжатий, а

стальная пружина выходит из строя после 1 млн сжатий. Применяют ее, в

частности, в часовой промышленности. Бериллиевую бронзу используют в

подшипниках для самолетных шасси, для подводных океанических теле-

фонных кабелей, в качестве изложниц для тонкого прецизионного литья

при изготовлении пластмассовой мебели, в авиационных скорострельных

пулеметах, в автомобилях и т.д.

Бериллий – дорогой, дефицитный и токсичный. Это мешает широко-

му применению бериллиевых бронз, несмотря на их уникальные свойства.

Кремнистые бронзы

Кремний растворяется в меди в довольно больших количествах: 5,3 %

при 842

С; 4,65 % при 356

С и около 3,5 % при комнатной температуре.

Поскольку вторая фаза γ сильно уменьшает технологичность сплавов сис-

темы Сu–Si, то в кремнистые бронзы вводят не более 3 % Si. При увеличе-

нии содержания кремния до 3,5 % повышается не только временное сопро-

тивление разрыву меди, но и относительное удлинение.

Двойные сплавы системы Сu–Si не применяют; их дополнительно

легируют никелем и марганцем, которые улучшают механические и корро-

зионные свойства кремнистых бронз. При введении в сплавы меди, содер-

жащие до 3 % Si, менее 1,5 % Mn, упрочнение происходит только за счет

растворного механизма.

Кремнистые бронзы отличаются высокими пружинящими и анти-

фрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. Они от-

лично обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоя-

нии. Эти сплавы хорошо свариваются с бронзой и сталью, легко паяются

мягкими и твердыми припоями. Кремнистые бронзы не дают искр при

ударе; обладают довольно высокой жидкотекучестью. Недостатком этих

сплавов является большая склонность к поглощению газов.

В промышленном масштабе используют бронзы БрКМцЗ-1 и

БрКН1-3 (см. табл. 2.9). Бронза БрКМц3-1 имеет однофазную структуру и

отличается высокими технологическими, механическими, пружинящими и

коррозионными свойствами. Эту бронзу применяют как деформируемую.

Бронза БрКН1-3 термически упрочняется; после закалки с 850

С времен-

ное сопротивление разрыву составляет около 350 МПа при относительном

удлинении 30 %, а после старения при 450

С в течение 1 ч – 700 МПа при

относительном удлинении 8 %.

Марганцевые бронзы

Марганцевые бронзы с содержанием до 22 % Mn имеют однофаз-

ную структуру во всем интервале температур до линии солидуса, так как

марганец растворяется в твердой меди в больших количествах (рис. 2.16).

Марганец раскисляет сплавы во время плавки, снижает температуры лик-

видус и солидус, что облегчает процессы деформирования, улучшает ли-

тейные характеристики, обеспечивает увеличение свариваемости. Марга-

нец существенно повышает прочность меди при сохранении высокой пла-

стичности, а также ее коррозионную стойкость. Благодаря однофазной

структуре, марганцевые бронзы хорошо обрабатываются давлением как в

горячем, так и в холодном состоянии. Марганец сильно повышает темпе-

ратуру рекристаллизации меди (на 150–200

С), улучшает жаропрочные

свойства. Наибольшее промышленное распространение получила бронза

БрМц5 (табл. 2.9), которая отличается повышенной коррозионной стойко-

стью и жаропрочностью.

Рис. 2.16. Диаграмма состояния

системы Сu–Mn

На основе системы Сu–Мn разработаны сплавы с большим внут-

ренним трением, которые называют сплавами высокого демпфирования.

Эти сплавы обладают большой способностью гасить колебания, возни-

кающие в деталях машин и конструкций при их эксплуатации. Применение

этих сплавов приводит к снижению вибраций деталей и шума, уменьшает

опасность разрушения изделий из-за резонансных явлений.

Сплавы высокого демпфирования содержат от 60 до 85 % Мn. Наи-

лучшие демпфирующие свойства они приобретают после закалки из γ-области

(рис. 2.16) и старения при температурах примерно 450

С; при этом одно-

временно возрастает прочность и сохраняется достаточно высокая пла-

стичность (σ

= 620–770 МПа; δ = 20–25 %).

При закалке с температур γ-области (рис. 2.16) в сплавах с содержа-

нием 60–82 % Мn сохраняется ГЦК решетка, при содержании 82–86 % Мn,

ГЦК фаза частично переходит в мартенсит с тетрагональной гранецентри-

рованной структурой, а при содержаниях марганца более 86 % ГЦК фаза

полностью превращается в мартенсит. При последующем старении в спла-

вах, содержащих 60–86 % Мn, ГЦК фаза переходит в мартенсит. При мар-

тенситном превращении в тетрагональной фазе образуются макродвойники

с относительно стабильными границами, а внутри них микродвойники с

подвижными границами. Микродвойники и обеспечивают высокие демп-

фирующие свойства, так как их границы легко перемещаются под действи-

ем напряжений. При наложении механических колебаний на марганцево-

медный сплав происходит возвратно-поступательное движение границ

микродвойников, на что и тратится энергия колебаний.