Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Алюминиевожелезоникелевые бронзы

(Бр.АЖНЮ-4-4, Бр.АЖ Н1 1-6-6) Введение никеля приводит к

дальнейшему облагораживанию алюминиевожелезистых бронз

и повышению их жаропрочности. Структура бронз подобна

Бр.АЖ9-4 и характеризуется несколько большим содержанием

эвтектоида.

Бронзы Бр.АЖН 10-4-4 и Бр. АЖН11-6-6 используют главным

образом для ответственного литья.

Из этих бронз изготовляют детали, работающие на трение

в условиях повышенных температур (400—500° С ), при высоких

удельных давлениях и скоростях.

В тяжелом машиностроении из этих

бронз изготовляют шестерни мощ

ных кранов, части насосов, турбин

и т д.

Из Бр.АЖН 10-4-4 получают так

же прутки и поковки, которые обыч

но применяют в конструкциях в тер

мообработанном состоянии закал

ка с 920° С в воду и отпуск при

650° С в течение 2 ч) После термо

обработки бронза имеет следую

щие механические свойства <т& =

= 65 кГ/мм2, 6 = 5%, НВ = 200 ч-

Ч- 240 кГ мм2 Для замены никеле

вых бронз были предложены более

дешевые сплавы, в которых никель

заменен марганцем и кремнием [97].

В качестве заменителя

Бр.АЖН11-6-6 рекомендуют брон

зы Бр.АЖМц12-6-1 12% А1, 6%

Fe, 1 % Мп, остальное Си) и

Бр.АЖМцК12-6-1 1 (12 % А1, 6% Fe, 1% Мп, 1% Si, остальное

А1) Бр.АЖМц12-6-1 имеет- оь = 60 -f- 65 кГ/мм2, 6 = 1,5 -г- 2%,

НВ = 260 кГ мм2 Бр.АЖМцК12-6-1 1 имеет о,, = 60 н-

-г- 70 кГ/мм2, в = 1,5 -*• 2% НВ = 260 кГ/мм2

2. Оловянистые бронзы

В промышленности применяют двойные оловянистые брон

зы — сплав меди с оловом и многокомпонентные бронзы, содер

жащие в своем составе, кроме меди и олова, добавки цинка,

свинца, фосфора и других элементов.

В зависимости от назначения бронзы делят на литейные и

обрабатываемые давлением

Ниже описаны структура, свойства и применение важнейших

промышленных оловянистых бронз.

Рис. 92. Влияние микродоба

вок ванадия и бора на меха

нические свойства

Бр.АЖМц 10-3-1,5 [96]:

----------

ванадий —

— бор

171

Состав, физико-механические и технологические

Марка сплава

Основные компоненты, %

(средний состав)

Типичные

I I

g8&“

•Q--S s«

•©■g 3<=>

cr> s «J —<

о s Я •

* Ч o.«

I * !

O J » ?

gsg

БР.ОЮ

БР.019

БР.ОФЮ—1

Бр.ОЩО—2

Бр.ОЦ8—4

Бр.ОЦСб—6—3

БР.ОЦСНЗ-7-5-1

Бр.ОЦСЗ—12—5

Бр.ОЦС4—17

Бр.ОЦСЗ, 5-6—5

Бр.ОЦСб—5—5

3 5

Осталь

ное

То же

8 8

8 6

8 76

8 5

8 78

8,82

8,7

8 7

8 8

18 5

18 8

17 3

16 6

17 1

0 115

0 117

0 132

0,163

0 224

19 1

11600

9800

10300

9800

10000

9900

8500

8400

9450

172

Таблица 36

свойства литейных оловянистых бронз

свойства сплавов

са

«Г

Коррозионная

устойчивость,

потеря в весе

с*

ев

К.

со

в сутки, г'м2

Применение

Ет

ь;

•Ъ

«о

-У

о *

С.

осГ

>»

! о

ё .

г к

ь я

ЙЙ

<и

=Г

1 0%*ный

раствор

H 2S 0 4

морская

вода

3—10

3-10

10-14

0 9

110

1020 1 44

4 1 0 38

Арматура и сложное

фасонное литье

0 5

160

То же

0 6

0 9

934

1 44

Подшипники, шес

терни и втулки ответ

ственного назначения

10 14

1 5

1015

1 5

0 14

0 92

Арматура, подшип

ники и сложное фасон

ное лктье

4-10

6—15 8-12

2 5

1000 1 54

Арматура

2 3 60

967 1,6

4,9

0,67

Паровая и водяная

арматура, втулки, саль

ники и подшипники при

удельном давлении

100 кГ/см2 скорости

2 м сек

1022

Арматура, работаю

щая в условиях мор

ской и пресной воды,

а также пара при дав

лении до 25 am

998

Арматура, работаю

щая в условиях прес

ной воды и пара при

давлении до 25 am

970

Антифрикционные

детали

То же

Детали автотрактор

ной промышленности

173

Двойные оловянистые бронзы

Состав, физико-механические и технологические свойства оло-

вянистых бронз приведены в табл. 36.

Двойные оловянистые бронзы типа Бр.ОЮ, Бр.019 в основ

ном применяются для арматурного литья ответственного назна

чения. Двойные бронзы с содержанием 5—6% олова использу-

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

Си 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Sn

, %

(по массе)

Рис. 93. Диаграмма состояния Си Sn

ются как деформируемые материалы. Характер взаимодействия

олова с медью при их сплавлении определяется диаграммой со

стояния медь олово, данной на рис. 93.

Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержа

щие до 20% Sn, поэтому дадим более подробную характеристи

ку фаз, образующихся в этой части диаграммы состояния.

Богатая медью a-фаза имеет решетку меди (гранецентриро-

ванного куба) и является твердым раствором олова в меди.

Растворимость олова в меди существенно изменяется с пони

жением температуры и составляет* при 798° С (температура

перитектики) 13,5% (по массе) Sn, при 586° С (температура

Sn, % am о мн.)

174

первого эвтектоидного превращения 15,8% по массе Sn, при

520° С (температура второго эвтектоидного превращения) 15,8%

(по массе Sn, при 350° С (температура третьего эвтектоидного

превращения) 11,0% (по массе Sn и при 200° С около 1%

по массе

В равновесии с a-твердым раствором в зависимости от тем

пературы находятся промежуточные фазы р, у, 6 и е.

Фазы р и у образуются в результате перитектического взаи

модействия по реакциям

798°С

L ~ ra

р,

753°С

Y-

Фаза б образуется по перитектоидной реакции в твердом со*

стоянии

586°С

у + S б.

Все эти промежуточные фазы являются твердыми растворами

на основе химических соединений электрического типа.

Основой p-фазы является химическое соединение CusSn

с объемноцентрированной кубической решеткой с электронной

концентрацией 3 2 электрона на атом. В основе у- и б-фаз лежит

химическое соединение Cu3iSns со сложной кубической решет

кой с электронной концентрацией 21 i3 электрона на атом

Фаза е является твердым раствором на основе химического

соединения CusSn с гексагональной плотноупакованной решет-

кой, характеризующейся электронной концентрацией 7 4 элек

трона на атом.

Фазы р, у и б при соответствующих температурах распада

ются с образованием эвтектоидных смесей:

58б°С

р —

z±a + y

520°С

У —— а + S,

350° С

б а + е.

Однако ввиду затрудненных условий диффузии при низких тем

пературах процесс распада в твердом состоянии чаще всего

ограничивается эвтектоидным превращением, протекающим при

температуре 520° С у+±а + 6), а при повышенных скоростях

охлаждения первым эвтектоидным превращением при темпе

ратуре 586° С

В заключение обзора диаграммы состояния отметим, что

широкая область a-твердых растворов, указанная на диаграмме

сплошной линией, характерна только лишь для равновесных

сплавов, т е. сплавов, подвергнутых весьма медленному охлаж

дению.

В реальных заводских условиях охлаждения при литье в ме

таллические и земляные формы эта область значительно су

жается. Среднее положение границы a-области при литье в ме

таллическую изложницу указано на диаграмме пунктирной

линией.

Для литых и неотожженных сплавов следует руководство

ваться пунктирной линией.

При обсуждении структуры отожженных после литья спла

вов надо руководствоваться верхней частью сплошной линии.

Однако нельзя основываться на той ее части, где она резко по

ворачивает влево, в сторону уменьшения концентрации олова

в а-растворе. Распад а-раствора проходит так медленно, что

в сплавах, не деформированных и деформированных менее чем

на 70—80%, распадом твердого раствора можно пренебречь и

считать, что сколько олова перешло в a-твердый раствор при

температуре отжига, столько его и осталось в растворе при ком

натной температуре. Только в сильно деформированных сплавах

или после длительного их отжига структура сплавов прибли

жается к равновесной [4].

Основной причиной таких расхождений наблюдаемых струк

тур с ожидаемыми, согласно диаграмме состояния, являются

большая склонность бронз к ликвации, а также замедленный ход

процессов диффузии, проходящих в сплавах олова с медью.

Основываясь на диаграмме состояния, рассмотрим процесс

кристаллизации и формирования структуры некоторых типовых

оловянистых бронз, лежащих в одно- и двухфазной областях

диаграммы.

К числу однофазных сплавов относятся бронзы с содержа

нием до 5—6% Sn. Процесс кристаллизации таких бронз проте

кает в одну стадию по схеме

где t\ t2 температурный интервал кристаллизации.

Микроструктура бронз в литом и отожженном состояниях

дана на рис. 100 и рис. 101 атласа.

На рис. 102 атласа показана структура однофазной бронзы

после деформации и отжига.

К числу двухфазных бронз относятся стандартные бронзы

Бр.ОЮ и Бр.019

Кристаллизация этих бронз протекает в следующие две

стадии

2 798° С

1-я стадия: L-

----

>аф_р) + L{a_g),

798° С

2-я стадия: L(g) + a (p)- ^ p (Z) + a(p)„36

(в скобках указан состав фаз)

176

При температуре 586° С p-фаза распадается с образованием

эвтектоида а + у)

При температуре 520° С у-фаза в свою очередь распадается

на эвтектоид а + б (Cu3iSns)

Ha этом обычно и заканчиваются фазовые превращения

в бронзах.

Таким образом, бронзы БрОЮ и Бр.019 имеют структуру,

состоящую из а + эвт [а + б (Cu3iSns)]. Структура двухфазной

бронзы дана на рис. 103 атласа.

Согласно равновесной диаграмме состояния, эвтектоид

в бронзах должен появляться при концентрации олова в спла

вах выше 15% Однако, как уже указывалось, вследствие сдви

га границы a-области он может появляться уже при содержании

6—7% Sn.

При нагреве такой неравновесной бронзы происходит рас

творение эвтектоида и бронза принимает типичное однофазное

строение см. рис. 101 атласа).

Помимо обычных структурных составляющих, в двойных

оловянистых бронзах часто встречаются посторонние включе

ния в виде окислов и различных примесей.

Весьма нежелательной составляющей в оловянных бронзах

является окись олова Sn02 (ангидрид оловянной кислоты),

включения которого хрупкие и твердые.

Для раскисления оловянных бронз применяют небольшие

добавки (сотые доли процента фосфора.

В плохо раскисленной оловянной бронзе SnCb обнаруживает

ся на нетравленой поверхности шлифа в виде серых включений

рис. 104 атласа

При избытке фосфора последний выделяется в форме хими

ческого соединения Си3Р фосфид меди) Фосфид меди обнару

живается на шлифах в виде неправильно очерченных светло-го-

лубых включений (рис. 105 атласа) Однако необходимо иметь

в виду, что при просмотре шлифов при малых увеличениях фос

фид меди легко спутать с включениями эвтектоида, которые

также имеют светлую окраску и неправильную форму При

большом увеличении эвтектоид легко отличить от фосфидов по

характерному для него двухфазному строению.

Механические свойства двойных оловянных бронз в зависи

мости от содержания олова приведены на рис. 94.

Широкий интервал кристаллизации сплавов меди с оловом

является причиной их невысокой жидкотекучести и значитель

ной пористости отливок.

Для улучшения литейных свойств и повышения плотности

отливок в бронзы вводят в небольшом количестве цинк. Добав

ка цинка уменьшает интервал кристаллизации бронз, благодаря

чему повышается плотность отливок.

Свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатывае

мость резанием.

12 Заказ 1024

177

Для улучшения литейных, антифрикционных и механических

свойств в бронзы, кроме этого, вводят фосфор, который, как

уже указывалось, служит также раскислителем бронз.

10 20 3 0 U0 50

Sn,

(по массе)

Рис. 94. Механические свойства

литых меднооловянистых спла

вов в зависимости от содержа

ния олова [41]

Суммарная концентрация присадок У о

Рис. 95. Влияние добавок титана,

ванадия и бора на механические

свойства отливок из бронзы

Бр.ОЦ66-3 [98]:

1 — 0,05«/о В + V; 2 — 0,052% Ti + В

Многокомпонентные оловянистые бронзы

Литейные оловянистые бронзы. Состав, механи

ческие свойства и применение промышленных литейных оловя-

нистых бронз даны в табл. 36.

Большая часть оловянистых бронз применяется для произ

водства отливок в земляные формы. При литье в землю отливки

имеют крупнозернистое зональное строение и характеризуются

повышенной междендритной пористостью.

Указанные недостатки в структуре бронз, как было показано

в работе [98], можно устранить комплексным введением неболь

ших добавок ванадия и бора (от 0,02 до 0,05% V и 0,03—0,04%

В или титана и бора (0,05% Ti и 0,05% В) При введении этих

добавок в расплаве образуются частицы тугоплавких боридов

(химических соединений ванадия и титана с бором), которые

служат зародышами при кристаллизации зерна бронзы. Изме

нения в структуре приводят к улучшению механических свойств

бронзы. Некоторые данные по этому вопросу приведены на

рис. 95.

Все промышленные бронзы по микроструктуре можно услов

но разделить на две группы, однофазные а-бронзы и двухфаз

ные а + эвтектоид (а + 6)

178

Таблица 37

Состав, свойства и области применения оловянистых бронз, обрабатываемых давлением

Основные компоненты, %

Точные свойства

сплавов

Марка бронзы

РЬ

Си

I !

инейный ко-

ффициент

асширения

10+6

/град

гплопровод-

ость,

ал! см-град

дельное элек-

росопротив-

ение

М'ММг1М

>> .

л ^ «

| о С

•Ъ

Чр

О4'

«Г

Применение

<\>

ъ т о. о — н х *

2 £ *

О 60

■э?

Бр.ОФ6,5—0 4

6-7

0 3-

Осталь 8 8 17 1 0 15- 0 176 11200 14

15-30 6

Ленты, полосы,

0 4

ное 0 2

60-70 80

прутки, проволока

для пружин, сеток,

подшипники, детали

Бр.ОФ4—0 25

3,5-4

0 25 То же

8 9

17 6

0 20

0 091 10000

Трубки различ

ных размеров для

производства мано

метрических пру

жин

Бр.ОЦ4—3

со

2 7

8,8

18 0

0 20

0 087

8500

6 5

Ленты, полосы,

прутки, проволока

для изготовления

пружин и других

деталей в машино

строительной и хи

мической ПрОМЫП!

ленности

Бр.ОЦС4—4-2,5

со

сл

3 5

1 5

8 79 18,2

0 20

0,087

7500

11 13

Ленты и полосы

3,5 9,02

35-45 34

60 для прокладок во

втулках и подшип

никах

^ Примечание. В первой строке даны механические свойства для литой бронзы, во второй — для отожженных листовых материалов.

________

______________________________________________________________________________________________________— -----------------------------------------------------------------------------------------------

Бронзы, содержащие олово до 4—5%, являются однофаз

ными и структура их состоит из a-твердого раствора сложного

состава (в меди, кроме олова, растворены цинк, никель и дру

гие элементы) Структура их подобна ранее рассмотренной на

рис. 100, 101 и 102 атласа.

Бронзы, содержащие олова свыше 6%, по своей структуре

относятся к двухфазным бронзам, причем количество эвтектои

да будет увеличиваться с повышением содержания олова

(рис. 106, 107 атласа)

Свинец, вводимый в бронзы, выделяется в элементарном ви

де и хорошо обнаруживается на нетравленом шлифе.

Фосфор, присутствующий в некоторых марках бронз

(Бр.ОФЮ-1), частично растворяется в меди и, кроме этого, об

разует химическое соединение фосфид меди Си3Р

При содержании фосфора 1 % и выше в сплавах Cu-Sn-P

появляется тройная эвтектика (а + б + Си3Р) (см. рис. 107

атласа

Оловянистые бронзы, обрабатываемые дав

лением. Оловянистые бронзы, обрабатываемые давлением,

характеризуются более низким содержанием олова, чем бронзы,

применяемые для литья. Состав, свойства и применение бронз

указаны в табл. 37

Рассмотрим структуры некоторых наиболее типичных бронз.

Бронза Бр ОФ6,5-0,4 в литом виде имеет структуру состоя

щую из дендритов a-твердого раствора (темные , эвтектоида

(светлые двухфазные участки) Кроме этого, в незначительном

количестве присутствует фосфид меди. После деформации и

отжига эвтектоид и фаза Си3Р растворяются и структура такой

бронзы состоит из зерен а-раствора.

Бронза Бр ОФ4-б,25 после литья имеет структуру твердого

раствора с включением фосфидов.

После деформации и отжига структура этой бронзы подобна

структуре предшествующего сплава.

Бронза ОЦ-4-3 относится к однофазным а-бронзам и имеет

структуру, свойственную твердым растворам.

Бронза ОЦС4-4-2,5 в основном по структуре аналогична

только что рассмотренной бронзе и, кроме этого, содержит

включения свинца.

3. Свинцовистые бронзы

Среди других медных сплавов свинцовистые бронзы выде

ляются своими хорошими антифрикционными свойствами.

В связи с этим они находят широкое применение для высоко-

нагруженных ответственных подшипников (опорные и шатунные

подшипники мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и

других быстроходных машин), работающих при больших удель

ных давлениях 250—300 кГ/см2 и при повышенных окружных

180