Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

образуется патина - тончайшая оксидная пленка различных цветовых оттен-

ков, от зеленого до темно-коричневого. Патина придает бронзовым скульп-

турам и декоративным изделиям красивую ровную окраску.

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

те зеркала делали из бронз. И в настоящее время металлические зеркала в от-

ветственных оптических инструментов делают из зеркальной бронзы. Сплав

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

Основные виды термической обработки бронз - гомогенизация и про-

межуточный отжиг. Основная цель этих операций - облегчение обработки

давлением. Гомогенизацию проводят при 700...750 °С с последующим быст-

рым охлаждением. Для снятия остаточных напряжений в отливках достаточ-

но 1 ч отжига при 550 °С. Промежуточный отжиг при холодной обработке

давлением проводят при температурах 550...700 °С.

2.18 Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы по распространенности в промышленности за-

нимают одно из первых мест среди медных сплавов. В меди растворяется до-

вольно большое количество алюминия (рис. 2.13): 7,5% при 1035 °С, 9,4%

при 565 °С и около 9% при комнатной температуре. Фаза β представляет со-

единение Сu

А1 электронного типа с электронной концентрацией 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

-фаза на ос-

нове электронного соединения Сu

А1

с электронной концентрацией 21/13.

С увеличением содержания алюминия прочностные свойства сплавов

повышаются. Сплавы с α- структурой хорошо обрабатываются давлением как

при высоких, так и при низких температурах, но их прочность невелика. Фаза

имеет очень высокую твердость и ничтожную пластичность, поэтому, ко-

гда в структуре сплавов появляется γ

-фаза, прочность резко возрастает, а

пластичность начинает падать.

Из-за ликвационных явлений снижение пластичности, обусловленное

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

из равновесной диаграммы состояния. Оптимальными механическими свой-

ствами обладают сплавы, содержащие 5...8% А1. Наряду с повышенной

прочностью они сохраняют высокую пластичность.

Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными имеют следующие

преимущества:

1) меньшую склонность к дендритной ликвации;

2) большую плотность отливок;

3) лучшую жидкотекучесть;

4) более высокую прочность и жаропрочность;

5) более высокую коррозионную и противокавитационную стойкость;

6) меньшую склонность к хладноломкости.

Кроме того, алюминиевые бронзы не дают искр при ударе.

Недостатки алюминиевых бронз:

1) значительная усадка при кристаллизации;

2) склонность к образованию крупных столбчатых кристаллов;

3) сильное окисление в расплавленном состоянии, при котором обра-

зуются оксиды алюминия, приводящие к шиферному излому в деформиро-

ванных полуфабрикатах;

4) вспенивание расплава при заливке в форму;

5) трудность пайки твердыми и мягкими припоями

6) недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Рис. 2.13 Диаграмма состояния Cu-Al

Для устранения этих недостатков алюминиевые бронзы дополнительно

легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

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

временном легировании алюминиевых бронз никелем и марганцем раство-

римость железа в α - фазе уменьшается и железистая составляющая появля-

ется при меньших его содержаниях. Железо повышает прочностные свойства

алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности, сильно из-

мельчает зерно при кристаллизации и рекристаллизации. При медленном ох-

лаждении в сплавах, содержащих 8...11% А1, эвтектоидный распад β- фазы

приводит к (α+γ

) - структуре с крупными кристаллами γ

-фазы, что вызывает

хрупкость. Железо замедляет эвтектоидный распад β - фазы и тем самым

препятствует развитию хрупкости.

Сплавы меди, легированные алюминием и железом, наиболее пластич-

ны после нормализации с 600...700 °С, которая уменьшает количество эвтек-

тоида в структуре. После закалки с 950 °С сплавы также отличаются высокой

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

дующее старение при 250...300 °С приводит к распаду β- фазы с образовани-

ем тонкодисперсной эвтектоидной смеси, что сопровождается повышением

прочности и уменьшением пластичности.

Марганец растворяется в алюминиевых бронзах в больших количествах

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

ную стойкость, антифрикционные свойства, способность к холодной обра-

ботке давлением. Двойные сплавы меди с алюминием не обрабатываются

давлением в холодном состоянии, если содержание алюминия превышает

7%. Тройная бронза БрАМ9-2 хорошо обрабатывается давлением как в горя-

чем, так и в холодном состоянии.

Никель сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при пони-

жении температуры. Поэтому медные сплавы, одновременно легированные

алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработ-

ке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения интерметаллидов Ni

А1

и NiА1. Никель улучшает механические свойства и коррозионную стойкость

алюминиевых бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаро-

прочные свойства. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хо-

рошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойст-

ва и не склонны к хладноломкости.

Небольшие содержания титана увеличивают плотность отливок и их

прочность. Благоприятное влияние титана на свойства бронз обусловлено его

действием как дегазатора, уменьшающего газонасыщенность расплава, и мо-

дификатора, измельчающего зерно.

Цинк заметно снижает антифрикционные и технологические свойства

алюминиевых бронз и поэтому является нежелательной примесью.

Механические свойства некоторых алюминиевых бронз приведены в

табл. 2.7 и 2.8. Одни из них применяют только как литейные (БрАМц10-2;

БрАЖН11-6-6; БрАЖС7-1,5-1,5), другие - только как деформируемые (БрА5,

БрА7). Большую группу бронз (БрАМц9-2; БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3—1,5;

БрАЖН10-4-4) используют и как деформируемые, и как литейные сплавы.

Наиболее пластичная и наименее прочная бронза - БрА5. Она легко де-

формируется при всех видах обработки давлением. Меньшей, но достаточно

высокой обрабатываемостью давлением отличаются бронзы БрА7 и

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

ные бронзы (БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4) деформируются

только в горячем состоянии, так как в их структуре довольно много эвтек-

тоида (до 30...35%). Вместе с тем благодаря эвтектоиду и железистым вклю-

чениям антифрикционные свойства и прочность этих бронз выше, чем у пе-

речисленных выше сплавов. Поэтому бронзы БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1,5

нашли наиболее широкое распространение.

Таблица 2.7

Типичные механические свойства деформируемых безоловянных бронз и

медноникелевых сплавов (отожженное состояние)

Название сплавов 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

КН1-3 350 30 -

Марганцевая бронза БрМц5 300 40 -

Мельхиор МНЖМц3О-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 МНАб-1,5 360 28 1,2

Из всех медноалюминиевых сплавов наибольшим временным сопро-

тивлением разрыву обладает бронза БрАЖ 10-4-4, которую применяют и как

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

тельную прочность до 400...500 °С (см. рис. 2.8). При температурах до

250...400 °С у бронзы БрАЖН10-4-4 наименьшая ползучесть по сравнению с

другими алюминиевыми бронзами.

Таблица 2.8

Механические свойства литейных безоловянных бронз (литье в кокиль)

Марка сплава σ

, δ,%

не менее

БрА9Мц2Л 390 20

БрА10Мц2Л 490 12

БрА9ЖЗЛ 490 12

БрА10ЖЗМц2 490 12

БрА11ЖбНб 590 2

БрА10Ж4Н4 590 6

БрА9Ж4Н4Мц 590 12

БрА7Мц15ЖЗН2Ц2* 610 18

БрС30 60 4

БрС60Н2,5 30 5

* Литье в песчаную форму

Деформируемые полуфабрикаты применяют в состоянии поставки или

подвергают дорекристаллизационному или рекристаллизационному отжигу.

Дорекристаллизационный отжиг алюминиевых бронз приводит к повыше-

нию их упругих свойств. Большинство алюминиевых бронз относится к тер-

мически неупрочняемым сплавам. Исключение составляет бронза БрАЖН

10-4-4, которая эффективно упрочняется закалкой с последующим старением

при 400 °С, 2 ч.

2.19 Бериллиевые бронзы

Бериллий обладает в меди умень-

шающейся с понижением температуры

растворимостью (рис. 2.14), поэтому бе-

риллиевые бронзы термически упрочня-

ются.

После закалки с температур, соот-

ветствующих α - области, структура бе-

риллиевых бронз представлена пересы-

щенным α - твердым раствором. В зака-

ленном состоянии бериллиевые бронзы

отличаются высокой пластичностью и

технологичностью, достаточной для хо-

лодной обработки давлением.

Распад пересыщенного α-твердого

раствора начинается с обогащения плос-

кости (100) атомами бериллия, в резуль-

Рис.2.14 Диаграмма состояния системы

Сu-Ве

тате чего образуются зоны Гинье-Престона в форме диска, которые затем пе-

реходят в когерентные по отношению к матрице тонкие пластинчатые обра-

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

. Фаза

γ' характеризуется тетрагональной ОЦК решеткой с упорядоченным распо-

ложением атомов. По мере развития процесса старения размеры выделений

γ'-фазы увеличиваются, а тетрагональность ее решетки уменьшается. На оп-

ределенной стадии старения при повышенных температурах γ'-фаза теряет

когерентность с матрицей, тетрагональность ее решетки приближается к еди-

нице и она превращается в стабильную γ-фазу на основе интерметаллида

СuВе. Наибольшее упрочнение при старении обеспечивают выделения γ'-

фазы в форме пластинок толщиной 5...10 нм. Оптимальные размеры выделе-

ний γ'-фазы формируются в результате старения при 320...340 °С в течение

2...5 ч.

На рис. 2.15 приведена зависи-

мость свойств сплавов Сu-Ве от со-

держания бериллия после закалки с

780 °С и старения при 300 °С в тече-

ние 3 ч. Оптимальными свойствами

обладают сплавы, содержащие около

2% Ве. При дальнейшем увеличении

содержания бериллия прочность

сплавов повышается мало, а пластич-

ность становится чрезмерно малой.

Как и другие дисперсионно-

твердеющие сплавы бериллиевые

бронзы обладают наилучшим ком-

плексом свойств при содержании ле-

гирующих элементов, близком к мак-

симальной растворимости.

Пересыщенный а-твердый раствор в интервале температур 500...380 °С

распадается очень быстро. Поэтому скорость охлаждения бериллиевых бронз

при закалке должна быть достаточно большой (обычно их закаливают в во-

ду). Нерезкое охлаждение в интервале температур 500...380 °С приводит к

частичному прерывистому распаду пересыщенного раствора с образованием

пластинчатых перлитообразных структур. Прерывистый распад нежелателен

по двум причинам: а) сплавы охрупчиваются из-за локализации прерывисто-

го распада по границам зерен; б) при последующем старении уменьшается

упрочнение, обусловленное непрерывным распадом пересыщенного раство-

ра, а эффект упрочнения от прерывистого распада меньше, чем от непрерыв-

ного.

Бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем и титаном.

Никель образует мало растворимый бериллид никеля NiВе и уменьшает рас-

Рис. 2.15 Влияние бериллия на свойства

сплавов Сu-Ве после закалки с 780 °С (1)

и старения при 300 °С, 3 ч (2)

творимость бериллия в меди. Он замедляет фазовые превращения в берил-

лиевых бронзах и облегчает их термическую обработку, так как отпадает не-

обходимость в крайне высоких скоростях охлаждения. Никель задерживает

рекристаллизационные процессы в сплавах Сu-Ве, способствует получению

более мелкого рекристаллизованного зерна, повышает жаропрочность. Титан

образует соединения ТiВe

и Сu

Ti, которые обеспечивают дополнительное

упрочнение.

Бериллиевые бронзы отличаются высоким сопротивлением малым пла-

стическим деформациям из-за сильного торможения дислокаций дисперсны-

ми частицами. С увеличением этого сопротивления уменьшаются обратимые

и необратимые микропластические деформации при данном приложенном

напряжении и, следовательно, релаксация напряжений. Все это приводит к

повышению релаксационной стойкости сплавов - основной характеристики,

которая определяет свойства упругих элементов.

Наибольшее распространение получили бронзы Бр Б2, БрБНТ1,7 и

БрБНТ1,9 (табл. 2.9). После упрочняющей термической обработки они ха-

рактеризуются высокими прочностными и пружинящими свойствами, а так-

же удовлетворительным сопротивлением ползучести и хорошей коррозион-

ной стойкостью. Они обладают отличной износостойкостью, сохраняют вы-

сокую электро- и теплопроводность. Эти сплавы мало склонны к хладнолом-

кости и могут работать в интервале температур от -200 до +250 °С.

Таблица 2.9

Механические свойства бериллиевых бронз

Марка бронзы

Закалка Закалка и старение по оптимальному режиму

, МПа δ,% σ

, МПа σ

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

3...7

Сплавы меди с бериллием отличаются уникальным благоприятным со-

четанием в них 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 ча-

стности в часовой промышленности. Бериллиевую бронзу используют в

подшипниках для самолетных шасси, для подводных океанических телефон-

ных кабелей, в качестве изложниц для тонкого прецизионного литья при из-

готовлении пластмассовой мебели, в авиационных скорострельных пулеме-

тах, в автомобилях и т.д.

2.20 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. По-

скольку вторая фаза у сильно уменьшает технологичность сплавов системы

Сu-Si, то в кремнистые бронзы вводят не более 3% Si. При увеличении со-

держания кремния до 3,5% повышается не только временное сопротивление

разрыву меди, но и относительное удлинение.

Двойные сплавы системы Сu-Si не применяют; их дополнительно леги-

руют никелем и марганцем, которые улучшают механические и коррозион-

ные свойства кремнистых бронз. При введении в сплавы меди, содержащие

до 3% Si, менее 1,5% Mn, упрочнение обусловлено только растворным меха-

низмом.

Кремнистые бронзы отличаются высокими пружинящими и антифрик-

ционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. Они отлично об-

рабатываются давлением, как в горячем, так и в холодном состоянии. 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 применяют бронзы БрКМцЗ-1, БрКН1-3 и

БрКНО,5-2 (см. табл. 2.7). Бронза БрКМц3-1 имеет однофазную структуру и

отличается высокими технологическими, механическими, пружинящими и

коррозионными свойствами. Эту бронзу применяют как деформируемую.

Бронзы БрКН1-3 и БрКН0,5-2 термически упрочняются; после закалки с 850

°С временное сопротивление разрыву бронзы БрКH1-3 составляет около 350

МПа при относительном удлинении 30%, а после старения при 450 °С в те-

чение 1ч - 700 МПа при относительном удлинении 8 %,

2.21 Марганцевые бронзы

Марганцевые бронзы с содержанием до 22% Mn имеют однофазную

структуру во всем интервале температур до линии солидуса, так как марга-

нец растворяется в твердой меди в больших количествах (рис. 2.16). Марга-

нец раскисляет сплавы во время плавки, снижает температуры ликвидус и

солидус, что облегчает процессы деформирования, улучшает литейные ха-

рактеристики, обеспечивает улучшение свариваемости. Марганец сущест-

венно повышает прочность меди при сохранении высокой пластичности, а

также ее коррозионную стойкость. Благодаря однофазной структуре марган-

цевые бронзы хорошо обрабатываются давлением как в горячем, так и в хо-

лодном состоянии. Марганец сильно повышает температуру рекристаллиза-

ции меди (на 150...200 °С), улучшает жаропрочные свойства. Наибольшее

промышленное распространение получила бронза БрМц5 (см. табл. 2.7), ко-

торая отличается повышенной коррозионной стойкостью и жаропрочностью.

На основе системы Сu-Мn разработаны сплавы с большим внутренним

трением, которые называют сплавами высокого демпфирования. Эти сплавы

обладают большой способностью гасить колебания, возникающие в деталях

машин и конструкций при их эксплуатации. Применение этих сплавов при-

водит к снижению вибраций деталей, уменьшению шума, снижает опасность

разрушения изделий из-за резонансных явлений.

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

шие демпфирующие свойства они приобретают после закалки из у- области

(см. рис. 2.16) и старения при температурах примерно 450 °С; при этом одно-

временно возрастает прочность и сохраняется достаточно высокая пластич-

ность (σ

=620...770 МПа; δ=20...25%).

При закалке с температур γ-

области (см. рис. 2.16) в сплавах с

содержанием 60...82% Мn сохраняет-

ся ГЦК решетка, при содержании

82...86% Мn, ГЦК фаза частично пе-

реходит в мартенсит с тетрагональ-

ной гранецентрированной структу-

рой, а при содержаниях марганца бо-

лее 86% ГЦК фаза полностью пре-

вращается в мартенсит. При после-

дующем старении в сплавах, содер-

жащих 60...86% Мп, ГЦК фаза пере-

ходит в мартенсит. При мартенсит-

ном превращении в тетрагональной

фазе образуются макродвойники с

относительно стабильными границами, а внутри них микродвойники с под-

вижными границами. Микродвойники и обеспечивают высокие демпфирую-

щие свойства, так как их границы легко перемещаются под действием на-

пряжений. При наложении механических колебаний на марганцевомедный

сплав происходит возвратно-поступательное движение границ микродвойни-

ков, на что и тратится энергия колебаний.

2.22 Свинцовые бронзы

Свинцовые бронзы обладают наилучшими антифрикционными свойст-

вами по сравнению с другими сплавами на основе меди и поэтому наиболее

широко применяются для изготовления подшипников скольжения. К под-

шипниковым материалам предъявляются следующие требования:

1) хорошая начальная прирабатываемость;

Рис. 2.16 Диаграмма состояния системы

Сu-Mn

2) небольшой коэффициент трения;

3) способность работать при достаточно высоких нагрузках, скоростях

вращения и температурах без выдавливания, размягчения; выкрашивания;

4) способность образовывать самосмазывающие или легко припираю-

щиеся коллоидные продукты истирания;

5) более низкая, чем у шейки вала, твердость;

6) высокая теплопроводность, достаточная для интенсивного отвода

тепла от зоны трения;

7) высокая ударная вязкость в случае работы при ударных нагрузках.

Подшипниковые материалы должны быть дешевыми.

Идеальная структура антифрикционного сплава - пластичная основа, в

которую вкраплены твердые зерна. Твердые кристаллы обусловливают ма-

лый коэффициент трения, небольшой износ и воспринимают нагрузку, а пла-

стичная основа обеспечивает хорошую прирабатываемость и смягчение уда-

ров. Наиболее благоприятны условия работы подшипников скольжения при

мелкозернистой однородной структуре.

Классическую структуру подшипникового

материала имеет бронза БрСН60-2,5 (рис. 2.17).

Мягкая (темная фаза) составляющая представле-

на свинцом, а твердая - медью (светлая фаза). Ни-

кель в этой бронзе способствует образованию

тонкоразветвленных дендритов из первичных

кристаллов меди, которые затрудняют ликвацию

меди и свинца по плотности. Ликвацию по удель-

ному весу можно также подавать быстрым охла-

ждением. Мягкая свинцовистая составляющая

образует в металле буферный слой между шейкой

вала и более твердыми первичными кристаллами

меди (или кристаллическим скелетом).

Шейка вала сильнее истирает соприкасающуюся с ней мягкую свинцо-

вистую составляющую, чем более твердые первичные кристаллы или денд-

ритный скелет. Выступающие твердые кристаллы принимают на себя давле-

ние вала и толчки, неизбежные при работе подшипника, и постепенно вдав-

ливаются в свинцовистую составляющую. Свинцовистая составляющая

вновь вступает в контакт с вращающейся шейкой вала, давление на твердые

кристаллы в итоге понижаются. Вступившая в контакт мягкая составляющая

начинает истираться и вновь выступают твердые кристаллы. Этот процесс

повторяется многократно, и кольцевой зазор между шейкой вала и подшип-

ником постепенно заполняется массой, состоящей из мелкодисперсных час-

тиц и смазки.

Из-за большого интервала кристаллизации, малой вязкости расплава и

значительной разницы в плотности меди и свинца (8,94 и 11,34 г/см

соответ-

Рис. 2.17 Микроструктура

бронзы БрСН60-2,5. х 100