Легирование марганцем бронз БрАМц9-2 и БрАМц10-2

 

Рисунок 7 – Изотермические разрезы диаграммы состояния системы Cu-Al-Mn

В качестве легирующего элемента в деформируемые алюминиевые бронзы марганец обычно вводят до 3—4%. Он в значительных количествах растворяется в α- и β-фазах, снижает в сплавах системы Cu-Al температуры эвтектического L → α + β (Cu₃Al) —1037°С и эвтектоидного (β → α + γ₂(Cu₉Al₄) — 565°С превращений. Поэтому в сплавах системы Cu-Al-Mn эти превращения реализуются в интервалах температур соответственно ниже 1037 и 565°С.

О влиянии марганца на структуру можно судить по изотермическим разрезам системы Cu-Al-Mn. Область существования высокотемпературной β-фазы расширяется с увеличением содержания марганца за счет уменьшения области твердого α-раствора. Одновременно понижается температура эвтектоидного распада: трехфазная область α + β + γ₂ этого превращения существует на разрезе при 500°С.

В промышленности применяются две бронзы системы Cu-Al-Mn: БрАМц9-2 и БрАМц10-2. Составы этих сплавов находятся в области первичной кристаллизации β-фазы, поэтому обе бронзы после окончания кристаллизации являются однофазными сплавами со структурой β (Cu₃Al)-фазы. При последующем охлаждении в твердом состоянии из-за уменьшения растворимости меди в фазе р в обоих бронзах происходит превращение β → α. При температурах несколько ниже 565° оставшаяся фаза β претерпевает эвтектоидный распад β → В бронзе БрАМцЮ-2, содержащей больше алюминия (в среднем 10 %), эвтектоидной смеси (α + γ₂) больше, чем в бронзе БрАМЦ9-2.

Марганец повышает механические и коррозионные свойства и улучшает технологические характеристики сплавов системы Cu-Al. Он повышает не только прочность, но и пластичность и обрабатываемость давлением. Бронза БрАМц9-2 хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, в то время как бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 и БрАЖН10-4-4 хорошо деформируются только в горячем состоянии.

Легирование железом бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц 10-3-1,5

Железо повышает прочностные свойства алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности. В алюминиевых бронзах железо растворяется в небольших количествах. При содержании железа более 2—3% в структуре бронз появляется железистая составляющая γ_Fe- твердый раствор на основе железа. Первичные кристаллы этой фазы измельчают литую структуру и вместе со вторичными кристаллами γFe измельчают структуру эвтектоида (α + γ₂), тормозят рост зерен α-фазы при горячей деформации и рекристаллизации, что положительно сказывается на прочностных свойствах бронз.

Наиболее широко в промышленности применяется алюминиевая бронза БрАЖ9-4, легированная железом. Она используется для изготовления деформированных полуфабрикатов и фасонных отливок, применяется в авиационной промышленности (шестерни, втулки, седла клапанов и т.п.) и других областях машиностроения. Обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами и хорошей коррозионной стойкостью. Отожженные полосы имеют σ_в = 500— 600 МПа, δ = 20 — 30%.

Комплексно легированная алюминиевая бронза БрАЖМц 10-3-1,5 применяется в авиакосмической технике (втулки, шестерни, диски, ниппели и т.п.) и других отраслях машиностроения, поставляется в виде прутков и труб. Прессованные полуфабрикаты имеют σ_в = 600 МПа, δ = 12%. Хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии, удовлетворительно сваривается и обрабатывается резанием, пайка вызывает значительные трудности.

Легирование никелем

 

Рисунок 8 – Изотермы растворимости алюминия в меди в системе Cu-Al-Ni

Никель является одним из наиболее важных легирующих элементов в алюминиевых бронзах. Он улучшает механические свойства и коррозионную стойкость бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропрочность. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Никель имеет неограниченную растворимость в меди. Однако он сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при понижении температуры. Поэтому медные сплавы, легированные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения дисперсных интерметаллидов θ(Ni₃Al) и NiAl. К преимуществам этих материалов относится то, что при достаточно высоком содержании никеля они способны к старению после охлаждения с температур горячей деформации без применения специальной закалки на твердый раствор, которую в ряде случаев технически осуществить невозможно.

Алюминиевые бронзы, как правило, одновременно легируют никелем и железом. При этом железо вводят главным образом для измельчения зерна. Фазовый состав и структура этих сплавов контролируется диаграммой состояния системы Cu-Al-Ni-Fe.

 

Рисунок 9 – Политермические разрезы диаграммы состояния системы Cu-Al-Fe-Ni при постоянном содержании никеля и железа

Многокомпонентные алюминиевые бронзы, легированные никелем и железом, отличаются от двойных, главным образом присутствием в их структуре æ-фазы. Она является промежуточной фазой с ОЦК решеткой и представляет собой твердый раствор железа в фазе NiAl, т.е. (Ni, Fe)Al. Благодаря равномерному распределению в матричном α-растворе и тонкому строению æ-фазы повышается прочность бронзы. Такая структура может быть получена путем закалки и старения. Упрочняющая термическая обработка может применяться к алюминиевым бронзам, легированным никелем и железом, так как растворимость æ-фазы в α-твердом растворе уменьшается с температурой.

Другая особенность четырехкомпонентных сплавов системы Cu-Al-Ni-Fe заключается в том, что при совместном введении в алюминиевые бронзы железа и никеля увеличивается концентрация алюминия, при которой в структуре появляется хрупкая эвтектоидная смесь. Так, например, если в двойных сплавах системы Cu-Al эвтектоид (α + γ₂) появляется в структуре при концентрации алюминия 9,4 % Al, то в сплавах системы

Cu-Al-Ni-Fe при содержании 5% Ni и 5% Fe эвтектоидная реакция осуществляется в сплавах при содержании алюминия 11% и более. Поэтому в присутствии никеля и железа можно в большем количестве вводить алюминий в многокомпонентные бронзы по сравнению с двойными сплавами системы Cu-Al при сохранении хорошей обрабатываемости давлением. Высоколегированная бронза БрАЖН10-4-4 является наиболее высокопрочным сплавом среди алюминиевых бронз. Важная особенность сплава БрАЖН10-4-4 — способность к упрочнению при термической обработке. При закалке с 980°С β-фаза претерпевает мартенситное превращение (β→β'). Последующий отпуск приводит к распаду мартенситной β'-фазы на смесь α- и γ₂-фаз. При отпуске выделяются дисперсные частицы æ‑фазы, которые также способствуют упрочнению сплава. После закалки и отпуска при 400°С в течение 2 часов твердость составляет 400&nНВ, против 159&nНВ в отожженном состоянии. Для получения высокой ударной вязкости рекомендуется отпуск при 650°С в течение 2 часов.

[6]

Оловянные бронзы

 

 

Рисунок 10 – Диаграмма состояния системы Cu-Sn

Оловянные бронзы определяются как медные сплавы с оловом и меднооловянные сплавы с добавками фосфора, цинка, свинца, никеля. ГОСТ 5017-74регламентирует девять марок деформируемых оловянных бронз, которые содержат 2 – 8 % олова и добавки фосфора, цинка и свинца.

 

 

Таблица 9 – Основные легирующие элементы (ГОСТ 5017-74)

Марка		Химический состав, %
		Компоненты
По ГОСТ	По СТ СЭВ 376–76	Олово	Фосфор	Цинк	Никель	Свинец	Медь
БрОФ8,0–0,3	-	7,5–8,5	0,26–0,35	-	0,10-0,20	-	Ост.
БрОФ7– 0,2	CuSn 8	7,0–8,0	0,10–0,25	-	-	-	Ост.
БрОФ6,5–0,4	-	6,0–7,0	0,26–0,40	-	-	-	Ост.
БрОФ6,5–0,15	CuSn 6	6,0–7,0	0,40–0,25	-	0,10–0,20	-	Ост.
БрОФ4–0,25	CnSn 4	3,5–4,0	0,20– 0,30	-	-	-	Ост.
БрОФ2–0,25	CuSn 2	3,0–5,0	0,02–0,3	-	-	-	Ост.
БрОЦ4–3	CuSn 4Zn 3	3,5–4,0	-	2,7–3,3	-	-	Ост.
БрОЦС4–4–2,5	CuSn 4Zn 4Pb 3	3,0–5,0	-	3,0–5,0	-	1,5-3,5	Ост.
БрОЦС4–1–1	CuSn 4Zn 4Pb 4	3,0–5,0	-	3,0–5,0	-	3,5-4,5	Ост.

 

Таблица 10 – Примесные элементы и примерное назначение по ГОСТ 5017-74

Марки		Химический состав, %									Примерное назначение
По ГОСТ	По СТ СЭВ 376—76	Примеси, не более
		Fe	Pb	Sb	Bi	Al	Si	P	Zn	Всего
БрОФ8,0—0,3	-	0,02	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	-	0,03	0,1	Проволока применяемая в целлюлозно-бумажной промышленности для изготовления сеток
БрОФ7— 0,2	CuSn 8	0,02	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	-		0,1	Прутки, применяемые в различных отраслях промышленности
БрОФ6,5—0,4	-	0,02	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	-	0,03	0,1	Проволока, применяемая в целлюлозно-бумажной промышленности для изготовления сеток, а также для пружин, деталей, лент и полос, применяемых в машиностроении
БрОФ6,5—0,15	CuSn 6	0,05	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	-	-	0,1	Ленты, полосы, прутки, применяемые в машиностроении, подшипниковые детали трубозаготовки для изготовления биметаллических сталебронозовых втулок
БрОФ4—0,25	CnSn 4	0,02	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	-	-	0,1	Трубки, применяемые в аппаратостроении и для контрольно-измерительных приборов
БрОФ2—0,25	CuSn 2	0,05	0,03	-	-	-	-	-	0,03	0,3	Винты, ленты для гибких шлангом, токопроводящие детали, присадочный материал для сварки
БрОЦ4—3	CuSn4Zn3	0,05	0,02	0,002	0,002	0,002	0,002	0,03	-	0,2	Ленты, полосы, прутки, применяемые в электротехнике, машиностроении, проволока для пружин и аппаратуры химической промышленности
БрОЦС4—4—2,5	CuSn4Zn4Pb3	0,05	-	0,002	0,002	0,002	-	0,03	-	0,2	Ленты полосу, применяемые для прокладок во втулках и подшипниках
БрОЦС4—1—1	CuSn4Zn4Pb4	0,05	-	0,002	0,002	0,002	-	0,03	-	0,2	Ленты и полосы, применяемое для прокладок во втулках и подшипниках

 

 

Фазовый состав

Фазовый состав и структура оловянных бронз представлены диаграммой состояния Cu-Sn, а также трехкомпонентными диаграммами состояния Cu-Sn-P, Cu-Sn-Zn и Cu-Sn-Ni. Медь составляет основу α-твердого раствора с широкой областью гомогенности. Растворимость олова в меди существенно изменяется с понижением температуры и имеет ретроградный характер: при температуре перитектического равновесия 799°С она составляет 13,5 % и с понижением температуры несколько увеличивается до максимума в 15,8 % при температуре 586°С эвтектоидного распада β-фазы. При понижении температуры, начиная с 528°С она резко понижается и при 200°С составляет около 1,3 %.

В равновесии с α-твердым раствором в зависимости от температуры находятся промежуточные фазы β, γ, δ и ε. Это электронные соединения с различной электронной концентрацией: для фазы β(Cu₅Sn) она составляет 3/2, для фаз γ, δ - 21/13 и для фазы ε — 7/4. Фазы β и γ являются высокотемпературными. При охлаждении β-фаза и γ-фаза претерпевают эвтектоидный распад:

β → α + γ при температуре 586°С
γ → α + δ при температуре 520°С.

Характерная черта системы медь-олово состоит в очень высокой скорости эвтектоидного распад высокотемпературных β- и γ-фаз и обычно не фиксируется в структуре сплавов при нормальной температуре.

Эвтектоидное превращение δ → α + ε при 350°С протекает очень медленно и фаза δ (Си₃₁Sn₈) остается в структуре сплавов до нормальной температуры даже при медленном охлаждении. ε-фазу не удается зафиксировать при 20°С в деформированных на 70ᾰ80% образцах сплавов, содержащих до 20%Sn, после длительного отжига при температуре 350°С. Таким образом, оловянные бронзы в литом состоянии состоят из α- и δ-фаз: в сплавах с низкой концентрацией олова (БрОФ2-0,25, БрОФ4-0,25 и БрОЦ4-3), после деформации и отжига структура состоит из однородных кристаллов α-твердого раствора, а в сплавах с повышенным содержанием олова (БрОФ8-0,3) структура состоит из кристаллов α-твердого раствора с включением эвтектоида (α + δ).

Высокотемпературная фаза β пластична, поэтому при определенных условиях сплавы, содержащие до 20 % олова, поддаются горячей прокатке, в то время как при пластической деформации в холодном состоянии бронзы с очень высоким содержанием олова (15—20%) весьма хрупки. Главная причина повышенной хрупкости этих сплавов — наличие в структуре большого количества эвтектоида (α + δ).

 

Механические свойства

Рисунок 11 – Влияние содержания олова на механические свойства литых оловянных бронз

Двойные оловянные бронзы показывают высокие механические свойства. Увеличением содержания олова повышает прочность и твердость оловянных бронз, а понижается пластичность и ударная вязкость. Максимальные значения временного сопротивления разрыву достигаются при 10—12% олова, а значения твердости и предела текучести продолжают увеличиваться и при большем содержании олова. Снижение значения относительного удлинения и ударной вязкости делает бронзы с высоким содержанием олова хрупким и непригодным материалом для обработки давлением. Поэтому для обработки давлением применяют оловянные бронзы с содержанием до 8—10%. Для улучшения свойств в эти сплавы вводят добавки фосфора, цинка или свинца.

Наиболее существенным показателем деформируемых оловянных бронз является высокое сопротивление усталости в коррозионных средах, которое растет при увеличении содержания олова до 4 %, а далее увеличивается в меньшей степени. Деформируемые оловянные бронзы уступают по усталостным характеристикам только бериллиевой бронзе. Самые высокие упругие свойства имеют оловянные бронзы, дополнительно легированные фосфором.

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 342; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!