Механические свойства бериллиевых бронз



Марка бронзы

Закалка

Закалка и старение по оптимальному режиму

sВ, МПа δ, % sВ, МПа σ0,2, МПа δ, %
БрБНТ1,9 БрБ2 БрБ2,5 БрБНТ1,7 400¸500 400¸500 400¸500 300¸400 38¸45 38¸40 - 45¸50 1150¸1250 1150¸1250 - 1000¸1100 700 600 650 400 1¸6 1¸6 - 3¸7

 

Сплавы меди с бериллием отличаются уникально благоприятным сочетанием 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 её, в частности, в часовой промышленности. Бериллиевую бронзу используют в подшипниках для самолётных шасси, для подводных океанических телефонных кабелей, в качестве изложниц для тонкого прецизионного литья при изготовлении пластмассовой мебели, в авиационных скорострельных пулеметах, в автомобилях и т.д.

 

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 системы Сu-Si, то в кремнистые бронзы вводят не более 3 % Si. При увеличении содержания кремния до 3,5 % повышается не только временное сопротивление разрыву меди, но и относительное удлинение.

Двойные сплавы системы Сu-Si не применяют; их дополнительно легируют никелем и марганцем, которые улучшают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. При введении в сплавы меди, содержащие до 3 % Si, менее 1,5 % Mn упрочнение обусловлено только растворным механизмом.

Кремнистые бронзы отличаются высокими пружинящими и антифрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. Они отлично обрабатываются 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 БрКМц3-1, БрКН1-3 и БрКН0,5-2 (см. табл. 1.4). 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 от 850 °С временное сопротивление разрыву бронзы БрКH1-3 составляет около 350 МПа при относительном удлинении 30 %, а после старения при 450 °С в течение 1ч – 700 МПа при относительном удлинении 8 %.

 

Марганцевые бронзы

 

Марганцевые бронзы с содержанием до 22 % Mn имеют однофазную структуру во всем интервале температур от комнатной до линии солидуса, поскольку марганец растворяется в меди в больших количествах (рис. 1.15).  

Марганец раскисляет сплавы во время плавки, снижает температуры ликвидус и солидус (при концентрациях до 40 %), что облегчает процессы деформирования, улучшает литейные характеристики, обеспечивает улучшение свариваемости. Марганец существенно повышает прочность меди при сохранении высокой пластичности, а также её коррозионную стойкость. Благодаря однофазной структуре марганцевые бронзы хорошо обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации меди (на 150¸200 °С), улучшает жаропрочные свойства. Наибольшее промышленное распространение получила бронза БрМц5 (см. табл. 1.4), которая 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 приводит к снижению вибраций деталей, уменьшению шума, снижает опасность раз­рушения изделий из-за резонансных явлений.

Сплавы высокого демпфирования содержат от 60 до 85 % Мn. Наилучшие демпфирующие свойства они приобретают после закалки из γ-области (см. рис. 1.15) и последующего старения при температурах примерно 450°С; при этом одновременно возрастает прочность и сохраняется достаточно высокая пластичность (σB = 620¸770 МПа; δ = 20¸25 %). 

 

 

 

Рис. 1.15. Диаграмма состояния системы Сu-Mn

 

При закалке от температур γ-области (см. рис. 1.15) в сплавах с содержанием 60¸82 % Мn сохраняется ГЦК решетка, при содержании 82¸86 % Мn ГЦК фаза частично переходит в мартенсит с тетрагональной гранецентрированной структурой, а при содержаниях марганца более 86 % ГЦК фаза уже полностью превращается в мартенсит. При последующем старении в сплавах, содержащих 60¸86 % Мn, ГЦК фаза переходит в мартенсит. При мартенситном превращении в тетрагональной фазе образуются макродвойники с относительно стабильными границами, а внутри них – микродвойники с подвижными границами. Микродвойники и обеспечивают высокие демпфирующие свойства, так как их границы легко перемещаются под действием напряжений. При наложении механических колебаний на марганцево-медный сплав происходит возвратно-поступательное движение границ микродвойников, на что и тратится энергия колебаний.

Свинцовые бронзы

Свинцовые бронзы обладают наилучшими антифрикционными свойства­ми по сравнению с другими сплавами на основе меди и поэтому наиболее широко применяются для изготовления подшипников скольжения. К подшипниковым материалам предъявляются следующие требования:

1) хорошая начальная прирабатываемость;

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 притирающиеся коллоидные продукты истирания;

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

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 дешёвыми.

Идеальная структура антифрикционного сплава пластичная основа, в которую вкраплены твердые зерна. Твёрдые кристаллы обусловливают малый коэффициент трения, небольшой износ и воспринимают нагрузку, а пластичная основа обеспечивает хорошую прирабатываемость и смягчение ударов. Наиболее благоприятны условия работы подшипников скольжения при мелкозернистой однородной структуре.

Классическую структуру подшипникового материала имеет бронза БрСН60-2,5 (рис. 1.16). Мягкая (темная фаза) составляющая представлена свинцом, а твердая – медью (светлая фаза). Никель в этой бронзе способствует образованию тонкоразветвленных дендритов из первичных кристаллов меди, которые затрудняют ликвацию меди и свинца по плотности. Ликвацию по удельному весу можно также подавить быстрым охлаждением. Мягкая свинцовистая составляющая образует в металле буферный слой между шейкой вала и более твердыми первичными кристаллами меди (или кристаллическим скелетом).

 

Рис. 1.16. Микроструктура бронзы БрСН60-2,5; ×100

 

Шейка вала сильнее истирает соприкасающуюся с ней мягкую свинцовистую составляющую, чем более твердые первичные кристаллы или дендритный скелет. Выступающие твердые кристаллы принимают на себя давление вала и толчки, неизбежные при работе подшипника, и постепенно вдавливаются в свинцовистую составляющую. Свинцовистая составляющая вновь вступает в контакт с вращающейся шейкой вала, давление на твердые кристаллы в итоге понижается. Вступившая в контакт мягкая составляющая начинает истираться, и вновь выступают твердые кристаллы. Этот процесс повторяется многократно, и кольцевой зазор между шейкой вала и подшипником постепенно заполняется массой, состоящей из мелкодисперсных частиц и смазки.

Из-за большого интервала кристаллизации, малой вязкости расплава и значительной разницы в плотности меди и свинца (8,94 и 11,34 г/см3 соответственно) свинцовые бронзы очень склонны к ликвации по удельному весу. Для борьбы с ликвацией применяют большие скорости охлаждения или вводят дополнительные легирующие элементы.

Для широко распространенной двойной свинцовой бронзы БрС30 нехарактерна классическая структура подшипника. Свинец не образует в ней пластичной матрицы, а присутствует в виде включений внутри меди. Тем не менее эта бронза обладает высокими антифрикционными свойствами, так как медь сама достаточно пластична, чтобы обеспечивать хорошую прирабатываемость. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность свинцовых бронз в четыре раза больше, благодаря чему они хорошо отводят тепло, возникающеё при трении. Прочность и твёрдость свинцовых бронз невысока (см. табл. 1.5). Поэтому их наплавляют на стальные трубы или ленты.

 

Медно-никелевые сплавы  

Сплавы меди с никелем имеют большое значение в технике, так как они отличаются хорошими механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью и уникальными электрическими и термоэлектрическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Медь неограниченно растворяется с никелем и образует с ним непрерывный ряд твёрдых растворов (рис. 1.17). Никель существенно упрочняет медь.

Медно-никелевые сплавы разделяют на две группы: коррозионно-стойкие и электротехнические.

К коррозионно-стойким сплавам относят мельхиоры, нейзильберы, куниали. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Сплав назван в честь его изобретателей – французов Майо (Maillot) и Шорье (Chorier) Мельхиоры имеют однофазную структуру и поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Дополнительное легирование железом и марганцем сплавов меди с никелем обеспечивает высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и паре. Наиболее распространены мельхиоры МНЖМц30-1-1 и МН19 (см. табл. 1.4).

Нейзильберы принадлежат к тройной системе Сu-Ni-Zn и содержат

5¸35 % Ni и 13¸45 % Zn. Слово нейзильбер происходит от немецкого Neusilber – новое серебро. В системе Сu-Ni-Zn наблюдается обширная область твёрдых растворов. Сплавы указанных составов (кроме высокоцинковых) лежат в области α-твёрдого раствора и имеют однофазную структуру. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются более высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Они легко поддаются горячей и холодной обработке давлением. Нейзильберы отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе и устойчивы в растворах солей и органических кислот. Некоторые сплавы этого типа для улучшения обрабатываемости резанием легируют свинцом. Из нейзильберов наиболее широко применяют МНЦ15-20. Из свинцового нейзильбера МНЦС16-29-1,8 изготавливают лишь детали часовых механизмов.

 

 

Рис. 1.17. Диаграмма состояния системы Сu-Ni

 

Куниалями называют сплавы тройной системы Сu-Ni-Аl. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Сu-Ni-А1 эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900¸1000 °С, а затем подвергают старению при 500¸600 °С. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3А1 и NiА1. Ещё более высокую прочность можно получить холодной деформацией закаленных сплавов перед старением (НТМО).

В промышленности применяют куниаль А (МНА13-3) и куниаль Б (МНА6-1,5) (см. табл. 1.4). Они отличаются высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем состоянии. Куниали не склонны к хладноломкости. При понижении температуры растет не только прочность, но и пластичность этих сплавов. Так, при комнатной температуре у куниаля Б в состаренном состоянии временное сопротивление разрыву составляет 638 МПа и поперечное сужение 50 %, а при температуре –180 °С эти характеристики равны 700 МПа и 67 % соответственно.

К электротехническим сплавам относят копель, константан, манганин.

Копель – сплав Сu (основа) с Ni (43 %) и Мn (≈ 0,5 %), константан – сплав Сu (основа) с Ni (≈ 40 %) и Мn (≈ 1,5 %), а также манганин – сплав Сu (основа) с Мn (11¸13,5 %) и Ni (2,5¸3,5 %) – относятся к сплавам с высо­ким удельным электрическим сопротивлением, мало зависящим от темпе­ратуры. Рабочая температура копеля около 600 °С, константана – 500 °С, а манганина – от 15 до 35°С. Копель (например, МНМц43-0,5) и константан (например, МНМц40-1,5) идут на производство проволоки для измеритель­ных и нагревательных приборов, термопар, компенсационных проводов, точных резисторов. Манганин (МНМц3-12) характеризуется сочетанием низкого термического коэффициента электросопротивления и очень малой термоЭДС в паре с медью, что обусловливает его применение в электротехнических измерительных приборах и резисторах.

 

Специальные медные сплавы

 

Благодаря высокой электропроводности медь – незаменимый материал в электротехнике. Основной её недостаток – относительно малую прочность – преодолевают наклепом, легированием, термической и термомеханической обработкой.

Холодной деформацией можно практически удвоить прочностные характеристики меди (см. рис. 1.5); электросопротивление при этом возрастает всего на  3 %. Однако наклёп можно использовать для упрочнения меди лишь в условиях работы при относительно невысоких температурах, так как выше примерно 200 °С начинается рекристаллизация.

Для применения в электротехнике медь можно легировать лишь элементами, которые значительно повышают прочность без существенного снижения электропроводности. Из сопоставления данных о влиянии легирующих элементов на прочностные характеристики и электропроводность меди следует, что целесообразно легировать проводниковые сплавы серебром, кадмием, хромом, цирконием и магнием. Так, при введении в медь 1 % Zr или Сr твердость повышается в 2,5 раза, а электропроводность уменьшается всего на 20¸30 %. Наилучшеё сочетание прочности и электропроводности достигается при легировании меди не одним, а двумя или тремя элементами, причем содержание этих элементов можно подобрать таким образом, что снижение электропроводности при совместном легировании будет меньше, чем при введении одного компонента в том же количестве, что и в многокомпонентном сплаве.

Твёрдорастворное упрочнение для рассматриваемых сплавов малоприемлемо, так как растворение большинства легирующих элементов в количествах, достаточных для эффективного упрочнения меди, приводит к существенному повышению её электросопротивления. Лишь серебро дает заметное растворное упрочнение меди без существенного снижения электропроводности.

Более эффективно дисперсионное упрочнение меди, причем системы легирования должны быть подобраны так, чтобы заметная растворимость легирующих элементов в меди при высоких температурах уменьшалась почти до нуля при пониженных температурах. В этом случае матрица отожженного или состаренного сплава представлена практически чистой медью с высокой электропроводностью и второй фазой меньшей электропроводности.

Для ряда применений, в частности для электродов контактной сварки, требуются материалы, которые наряду с высокой тепло- и электропроводностью характеризуются достаточной жаропрочностью. Обычные способы повышения жаропрочности в данном случае неприменимы. Усложнение состава сплавов, положенное в основу обычных принципов легирования жаропрочных сплавов, неизбежно приводит к резкому падению тепло- и электропроводности.

Повысить жаропрочность с сохранением высокой тепло- и электропроводности можно при соблюдении следующих условий:

1) высокая температура солидуса;

2) высокая температура начала рекристаллизации;

3) малая растворимость легирующих элементов в твердой меди;

4) достаточное количество малорастворимых в меди дисперсных выделений тугоплавких фаз.

Из элементов, не слишком сильно увеличивающих электросопротивление меди, слабо снижает температуру солидуса лишь хром, а никель даже повышает её. Температуру рекристаллизации меди сильно повышают цирконий, гафний и титан. Наиболее эффективно действуют тысячные и сотые доли процента второго элемента.

Высокие прочностные и жаропрочные свойства обеспечивают не содержащие меди интерметаллиды, такие как NiВе, Ni3Тi, Ni3А1, Ni2Si, Со2Si, СоВе. Прирост прочностных свойств сплавов систем Сu-Ni-Si, Сu-Со-Si, Сu-Со-Ве, Сu-Ni-Ве в результате старения составляет 250¸300 % по сравнению с закаленным состоянием.

Указанные выше интерметаллиды мало склонны к коагуляции при весьма высоких температурах по двум причинам:

а) они обладают небольшой растворимостью в меди;

б) для укрупнения этих частиц необходимы одновременная диффузия и встреча в нужном месте атомов двух различных компонентов, концентрация которых в меди мала.

Вместе с тем сплавы квазибинарных разрезов типа Сu-АХВУ (AxBy– не содержащий меди интерметалид) отличаются большей электропроводностью по сравнению со сплавами двойных систем.

Состав и свойства некоторых промышленных бронз высокой электропроводности приведены в табл. 1.7. Как видно из этих данных, в бронзы этой группы вводят не более 1¸3 % (по массе) легирующих элементов. Структура этих сплавов представлена твёрдыми растворами или имеет небольшую гетерогенность, обусловленную мелкодисперсными избыточными фазами.

 

Таблица 1.7


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 724; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!