Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

скоростях (8— 10 м/сек) Кроме этого, свинцовистые бронзы

имеют высокую теплопроводность [в 4 раза большую, чем у

оловянистой бронзы, и в 6 раз большую, чем у баббитов спла

вов олова с сурьмой ], допускают большой нагрев (до темпе

ратур 300—320° С , что весьма важно для быстроходных машин.

Состав промышленных марок свинцовистых бронз и их механи

ческие свойства даны в табл. 38.

Таблица 38

Состав, механические свойства и области применения свинцовистых бронз

Основные

компоненты, %

Типичные механиче

ские свойства

в литом состоянии

Название бронзы

и марка

РЬ

Си

а?

сО

«Г

Применение

Свинцовистая брон

за Бр.СЗО

Осталь

4 25

Подшипники,

сальники

Свинцовооловяни-

стая бронза

Бр.ОСб—25

ное

То же

14-18

О)

55-65

Подшипники,

втулки, маслоуп

лотнительные коль

Свинцовооловяни-

стая бронза

Бр.ОС8— 12

» »

15-20

ОО

со

80-120

ца

Подшипники для

больших удельных

давлений

Свинцовоникелевая

бронза

Бр.СНбО—2 5

—

2 5

» »

3 5

Подшипники, фа

сонное литье

В соответствии с составом все свинцовистые бронзы можно

условно подразделить на две группы к первой группе относятся

двойные бронзы с 30—35% свинца, ко второй легированные

свинцовистые бронзы с присадками олова и никеля.

Добавки никеля и олова в основном входят в твердый рас

твор, повышая его механические и коррозионные свойства. По

этому структуру двойных и более сложных свинцовистых бронз

можно описать, руководствуясь двойной диаграммой состояния

медь свинец (рис. 96)

Только в случае высоколегированных оловом свинцовистых

бронз (от 7% Sn следует учитывать образование эвтектоида

(а + 6 , свойственного высокооловянистым бронзам, и при раз

боре структуры этих бронз правильнее пользоваться тройной

диаграммой Си Pb — Sn.

181

Двойные свинцовистые бронзы с 30—35% РЬ (положение

которых на диаграмме состояния рис. 96 указано заштрихован

ной областью) кристаллизуются в несколько стадий*

1-я стадия:

2-я стадия:

3-я стадия:

4-я стадия:

953°С

L Си + L

2(92 62РЬ)’

953—327°С

2(92, 62РЬ)

C u + L 2(99 j 982РЬ),

327° С

— эвт (Си + РЬ).

"2(99 982РЬ) *

После затвердевания сплавов структура их будет состоять

из зерен меди и эвтектики, состоящей практически из чистого

свинца (в эвтектике 99,98% РЬ)

РЬ, % (атомн.)

Си 10 20 30 40 50 60 70 80 90 РЬ

РЬ, % (по массе)

Рис. 96. Диаграмма состояния Си РЬ

Микроструктура свинцовистой бронзы типа Бр СЗО в нетрав

леном виде и после травления показана на рис. 108 атласа. По

добную же структуру имеют бронзы Бр ОС5-25.

Вследствие отмеченных выше особенностей кристаллизации

этих бронз и наличия так называемого монотектического про

182

цесса (процесса кристаллизации, сопровождающегося расслое

нием жидкости на два жидких слоя такие бронзы подвержены

сильной ликвации.

В процессе первичной кристаллизации, когда затвердевает

около 90% меди, обогащенная свинцом жидкость L2 (92,6% Pb)

оттесняется растущими зернами меди и концентрируется обо

собленными участками, ^ затем закристаллизовывается в виде

крупных скоплений свинца (часто в виде капель) Такие скоп

ления свинца приводят к неравномерному его распределению

по объему отлавки и отрицатель

но сказываются на антифрикци

онных свойствах бронзы.

Для борьбы с ликвацией евин

ца применяют ускоренное охлаж

дение в зоне температур форми

рования первичной структуры

(например, путем охлаждения

водой стальной ленты или заго

товки, заливаемой свинцовистой

бронзой) Таким способом удает

ся получить более мелкое зерно

бронзы и добиться равномерного

распределения свинца.

Изменение механических

свойств бронзы в зависимости от

содержания свинца показано на

рис. 97 [5].

Вследствие невысоких механических свойств двойная евин

цовистая бронза (см. табл. 38) применяется для втулок и под

шипников только в виде тонкого слоя, нанесенного на более

прочную металлическую основу

Основой являются заготовки из стальных труб или стальная

лента, на которую и наносят тонкий слой свинцовистой бронзы.

Такие биметаллические подшипники имеют небольшой вес и от

личаются простотой, а при износе легко заменяются.

Свинцовистые бронзы с повышенным содержанием олова

(Бр.ОС8-12, Бр.ОСЮ-Ю, Бр.ОСНЮ-2-3), кроме обычных состав

ляющих зерен a-твердого раствора и свинца,— в структуре

имеют некоторэе количество эвтектоида (а + б)

Свинцовистые бронзы с добавками олова и никеля вслед

ствие прочной их основы (a-твердого раствора) характеризуют

ся более высокими механическими свойствами, чем двойная

свинцовистая бронза см. табл. 38) Поэтому из этих бронз мож

но изготовлять втулки и вкладыши подшипников, не прибегая

к использованию стальной основы.

Высокосвинцовистая бронза типа Бр.СН60-2,5 имеет пони

женные механические свойства вследствие большого содержания

свинца в структуре (рис. 109 атласа)

Рис. 97 Механические свойства

свинцовистых бронз в зависимо

сти от содержания свинца

183

4. Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы, обладая более высокими механически

ми свойствами, чем оловянистые бронзы, и достаточно хорошей

жидкотекучестью, представляют значительный интерес как за

Рис. 98. Диаграмма состояния Cu—Si

Содержание Si %

Рис. 99. Зависимость механических свойств кремнис

тых бронз от содержания кремния (литье в кокиль;

[83]

менители дорогостоящих дефицитных оловянистых бронз в ма

шиностроительном литье.

Состав промышленных кремнистых бронз и их свойства при

ведены в табл. 39.

Диаграмма состояния сплавов Cu-Si дана на рис. 98 [99].

На рис. 99 показана зависимость механических свойств бронзы

от содержания кремния.

184

Таблица 39

Состав, физико-механические свойства и применение промышленных кремнистых бронз

Основные компоненты, %

Типичные свойства сплавов номинального состава

Наименование

бронзы и марка

Si Мп

Zn Pb

Си

теплопроводность,

кал; см-сек-град

в ^

Н* й>

* 5

<и X

ч V

<г> Ч

коэффициент ли

нейного расшире

ния а* 10 + б

1 /град

модуль упругости

£, кГ/мм2

•Ь

«о* -э-

"з

Применение

Бр.КЗ

— — —

Ост

10—20 Фасонные отлив

ки, прутки, прово

лока

Кремнистомарган

цевая Бр.КМЦЗ—

—1 (Эвердур).

Никелькремнистая

Бр.КН1—3 (брон

за Корзона)

0 3

—

8 4

8 6

0 ,0 8 -

0 11

0 15

0 046

15 8

12000

90*

1 -2

175

Прутки, прово

лока

Прутки, поковки

Кремнистоцинковая

Бр.КЦ4—4

—

Фасонное литье

Бр.КЦЗ—9

—

25 10—20

» »

Кремнистосвинцо

вая Бр.КСЗ—4

—

25 20

Фасонные отлив

ки втулки под

шипников

Оо * Проволока особо твердая.

Сп

--------------------------------

Промышленные бронзы, имея в своем составе 3% Si, лежат

в области a-твердого раствора. Однако, по данным [99], в усло

виях длительного отжига граница a-области несколько сдвигает

ся в область меньших концентраций кремния, поэтому в богатых

кремнием сплавах возможно появление гетерогенной структуры.

Небольшие добавки цинка, марганца и никеля, вводимые

в некоторые сплавы (Бр.КЦ4-4, Бр.КЦЗ-9, Бр.КМцЗ,5-1,

Бр.КШ -З и др входят в твердый раствор, придавая ему осо

бые свойства.

О 2 4 6 8 10 12 П 16 16

Niz Sl %(по массе)

Рис. 100. Квазибинарный разрез

Си Ni2Si системы Си Ni Si

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Продолжительность отжигам

Рис. 101 Изменение механических

свойств никелькремнистой бронзы

Бр.КН1-3 при старении. Исходный

материал — прутки, прессованные

и закаленные с 960° С в воду [83]

Например, добавка 1% марганца, целиком входящего в твер

дый раствор, значительно увеличивает коррозионную стойкость

кремнистой бронзы, повышает прочность и плотность.

Присадка цинка способствует уменьшению интервала кри

сталлизации кремнистых бронз и повышению их прочности за

счет легирования твердого раствора цинком.

Никель, так же как и марганец, растворяясь в меди, повы

шает твердость, прочность и коррозионную стойкость кремни

стых бронз. Кроме этого, никель с кремнием образует химиче-

ское соединение Ni2Si, которое способствует дополнительному

упрочнению кремнистых бронз.

Никелькремнистая бронза по своему составу лежит на квази

бинарном разрезе Си Ni2Si (рис. 100 и при определенном

соотношении никеля и кремния способна воспринимать терми

ческую обработку закалку и старение.

Изменение свойств при старении бронзы Бр.КН1-3 показано

на рис. 101

Большинство кремнистых бронз имеет однородную структуру,

свойственную сплавам типа твердых растворов. Микрострукту

ры бронзы в литом и деформированном, отожженном состоянии

показаны на рис. 110 и 111 атласа.

Кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью и по

этому пригодны для всех видов обработки давлением.

Добавки свинца, вводимые в кремнистые бронзы, повышают

их антифрикционные свойства и способствуют улучшению обра

батываемости резанием. Структура этих бронз характеризуется

выделениями свинца

Кремнистые бронзы, содержащие свинец, рекомендуют в ка

честве антифрикционных сплавов, пригодных во многих случаях

для замены дефицитных оловянистых бронз. В частности, крем

нистой бронзой со свинцом Бр КСЗ-4 можно заменять бронзу

Бр.ОФЮ-1 для втулок при средних удельных давлениях, брон

зой Бр.КСЗ-12 заменяют бронзу БрОС8-12 для тяжелонагру-

женных подшипников.

Кремнистой бронзой Бр КСЗ-4 можно заменять оловянистые

бронзы при спокойных нагрузках, удельных давлениях до

150 кГ см2 и окружной скорости до 4 м/сек, а при ударной на

грузке — для давления до 75 кГ см2 и скоростях до 1,2 м/сек [83].

5. Марганцовистые бронзы

Марганцовистыми бронзами называются сплавы меди с мар

ганцем. В некоторые бронзы, кроме марганца, вводят свинец

/in, % am о мн.)

Мп, % (по массе)

Рис. 102. Диаграмма состояния Си — Мп

187

Состав, физико-механические свойства

Марка бронзы

Основные компоненты,

Типичные свойства

сплавов

Мп РЬ

Си

<\Г

коэффициент ли

нейного расшире

ния а 10е 1 град

теплопроводность,

кал; см* сек-град

удельное элек

тросопротивление,

ОМ'мм2’м

модуль упругости

Е, кГ/мм-

Бр.Мцб

4 5 - Осталь

8 6

20 4

0 26 0 197

10500

5 5 ное

Бр.МЦС8—20 7 -8 5 18-22 То же

П р и м еч а н и е . В первой строке даны механические свойства для литья в кокиль, во

для придания им высоких антифрик

ционных свойств. Состав и физико

механические свойства марганцови

стых бронз указаны в табл. 40.

В промышленности главным об

разом используют бронзу с 5% мар

ганца (Бр.Мцб которая характе

ризуется повышенной коррозионной

стойкостью и способностью сохра

нять свои механические свойства

при повышенной температуре (при

20° С Бр.Мцб имеет аь = 28 кГ/мм2

и 6 = 40%, при 400° С аь =

= 26 кГ мм2 и б = 25%)

Бронзы Бр.Мцб применяют для

изготовления литых деталей, рабо

тающих при повышенных темпера

турах арматура паровых котлов

и др.)

Имея структуру однородного

твердого раствора (см. диаграмму

состояния на рис. 102), эти бронзы

обрабатывают давлением.

Механические свойства деформированной и отожженной

бронзы в зависимости от содержания марганца даны на рис. 103.

Свинец в марганцовистых бронзах выделяется в элементар

ном виде и располагается преимущественно по границам зерен

a-твердого раствора марганца в меди.

Рис. 103. Зависимость меха

нических свойств марганцо

вистых бронз от содержания

марганца. Исходный матери

ал полосы, деформирован

ные на 60% отожженные

при 650° С в течение 1 ч [83]

188

и применение марганцовистых бронз

Таблица 40

номинального состава

Применение

сч

а?

•о

5, %

Ф. %

ь,

а;

а:

Листы, поковки

40-5 0 50

12 50

Фасонное литье,

подшипники, втулки

второй —• для отожженных материалов.

6. Сурьмянистые бронзы

Сурьмянистые бронзы применяются как заменители оловяни

стых и других антифрикционных бронз.

Характер взаимодействия сурьмы с медью определяется ди

аграммой состояния, данной на рис. 71 [86].

Основой бронзы является твердый раствор сурьмы в меди.

При содержании сурьмы свыше 2—3% в сплавах образуется

металлическое соединение Ci^Sb, которое играет роль твердой

составляющей при трении в подшипниках.

Для упрочнения основы сплава и повышения коррозионной

стойкости в сурьмянистые бронзы вводят никель, цинк и фосфор

Для повышения антифрикционных свойств в ряд бронз приса

живают свинец.

Состав, физико-механические и технологические свойства

сурьмянистых бронз приведены в табл. 41

7 Бериллиевые бронзы

Сплавы меди с бериллием, называемые в технике бериллие-

выми бронзами, обладают исключительно ценными качествами.

Они имеют высокую прочность и твердость, повышенный пре

дел упругости и усталости.

Бериллиевая бронза является весьма ценным пружинным

материалом она с успехом может применяться для изготовле

ния ответственных деталей, работающих на износ. Инструмент,

изготовленный из бериллиевой бронзы, не дает искр при ударе.

Вследствие того что бериллиевая бронза немагнитна, она при

189

Состав, физико-механические

Основные компоненты, %

Коэффициент ли

нейного расшире

ния а-10е Цград

Марка сплава

РЬ

Си

Плотность, г с

Бр.СуНб—2

Осталь

ное

8,7

17 9

Бр.СуФб—1 6

То же

8,5

17 3

Бр.СуСФб—12—0 3

6 0 3 12

8 0 17 8

Бр.СуНЦСФЗ 5 - 3 ,5 -

3 ,5 -2 0 - 0 ,2

3,5 3,5 0 2 20 3,5

9 1 17 4

меняется для изготовления деталей компасов, часовых механиз

мов и всякого рода выключателей и переключателей.

Состав и физико-механи-

1200

ческие свойства промышлен

ных бериллиевых бронз да

ны в табл. 42. В табл. 43

приведены некоторые техно

логические свойства этих

бронз.

Бронзы Бр.Б2 и Бр.Б2,5,

согласно диаграмме состоя

ния (рис. 104), кристаллизу

ются в одну стадию:

ь 1-~Л

а-1-Li

туры

Be % (помассе)

понижением темпера

вследствие уменьше

ния растворимости бериллия

в меди происходит распад

твердого раствора.

*з-608о

а ■

>с

->а + Р

Рис. 104. Диаграмма состояния Си Be

с выделением кристаллов

p-фазы переменного состава.

Фаза р является твердым раствором на основе химического

соединения СиВе. Это соединение относится к электронным со

единениям Оно имеет решетку объемноцентрированного куба с

периодом а = 2,7 А и характеризуется электронной концентра

цией 3/г электронов на атом.

190