4.5.3 Бронзи

4.5.3.1 Олов'янисті бронзи

Гранична розчинність олова в міді становить 15,8%, проте при вмісту олова більш 10% в структурі бронз утворюється δ-фаза, яка в значній мірі знижує в'язкість і пластичність. Тому практичне значення мають бронзи з вмістом до 10% олова.

Серед мідних сплавів олов'янисті бронзи мають саму низьку лінійну усадку, що дозволяє отримувати фасонні відливки. Подвійні і низьколеговані ливарні бронзи вміщують 10% Sn. Олов'янисті бронзи легують Zn, Pb, P (БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17, БрО10Ц2 и др.). Цинк повністю розчиняється в α-твердому розчині при легуванні до 15% і зменшує інтервал кристалізації олов'янистих бронз, що підвищує їх рідиноплинність і щільність відливок. Свинець підвищує антифрикційні властивості і поліпшує оброблюваність різанням олов'янистих бронз. Фосфор, будучи розкислювачем олов'янистих бронз, підвищує їх рідиноплинність, а зносостійкість підвищується, завдяки появі твердих включень фосфіду міді Сu₃Р.

Висока корозійна стійкість в атмосферних умовах, прісної і морської води сприяє широкому застосуванню ливарних бронз для пароводяної арматури, яка працює під тиском.

Бронзи, що деформуються, вміщують до 6…8%Sn (БрОФ 4-2,5, БрОЦ4-3 та ін.). Для усунення дендритної ліквації і вирівнювання хімічного складу, а також поліпшення обробки тиском застосовують дифузійний відпал, який проводять при 700…750°С. При холодній пластичній деформації бронзи піддають проміжним відпалам при 550…700°С. Бронзи, що деформуються, характеризуються хорошою пластичністю та більш високою міцністю, ніж ливарні.

Бронзи, що деформуються, володіють високими пружними властивостями і опором втомі. Їх застосовують для виготовлення круглих і плоских пружин в точній механіці, електротехніці, хімічному машинобудуванні та інших галузях промисловості.

4.5.3.2 Алюмінієві бронзи

Алюмінієві бронзи відрізняються високими механічними, антикорозійними й антифрикційними властивостями. Їхньої переваги перед олов'яними бронзами полягають у меншій вартості й більше високих механічних і технологічних властивостях. Зокрема, невеликий інтервал кристалізації забезпечує алюмінієвим бронзам високу рідиноплинність, концентровану усадку й гарну герметичність виливків, малу схильність до дендритної ліквації.

Мідь із алюмінієм утворить α-твердий розчин. Зі збільшенням змісту алюмінію до 4,5 % поряд з міцністю й твердістю підвищується пластичність, що потім різко падає, а міцність продовжує зростати при збільшенні змісту алюмінію до 10...11 %. З появою при цих концентраціях евтектоїда, що містить тверду і тендітну фази, підвищується зносостійкість і проявляються антифрикційні властивості.

Бронзи, що деформуються, є однофазні бронзи (БрА5, БрА7). Вони мають найкраще сполучення міцності (σ_в = 400...450 МПа) і пластичності (φ = 60%).

Двофазні бронзи відрізняються високою міцністю (σ_в = 600 Мпа) і твердістю (> 100 НВ). Їх можна піддавати зміцнюючій термічній обробці.

Алюмінієві бронзи легують залізом, нікелем, марганцем. В α-фазі алюмінієвої бронзи розчиняється до 4 % заліза, при більшому змісті утворяться включення Al₃Fe. Додаткове легування сплавів нікелем і марганцем сприяє появі цих включень при меншому змісті заліза. Залізо робить дія, що модифікує, на структуру алюмінієвих бронз, підвищує їхню міцність, твердість і антифрикційні властивості, зменшує схильність до окрихчування двофазних бронз.

Найкращою пластичністю алюмінієво-залізні бронзи (наприклад, БрАЖ9-4) володіють після нормалізації при 600...700°С або гартування від 950°С с наступним відпуском при 250...300°С.

Нікель сприяє додатковому зміцненню бронз, легованих залізом і нікелем, внаслідок старіння. Наприклад, у відпаленому (м'якому) стані БрАЖН10-4-4 твердість становить 160 НВ. Після гартування від 980°С і старіння при 400°С тривалістю 2 год. твердість збільшується до 400 НВ.

З алюмінієво-залізо-нікелевих бронз виготовляють деталі, що працюють у тяжких умовах зношування при підвищених температурах (400...500°С): сідла клапанів, що направляють втулки випускних клапанів, частини насосів і турбін, шестерні та ін.

Високими механічними, антикорозійними й технологічними властивостями володіють алюмінієво-залізні бронзи, леговані замість нікелю більше дешевим марганцем (БрАЖМц 10-3-1,5).

4.5.3.3 Кремнисті бронзи

Кремнисті бронзи містять до 3% Sі й мають однофазну структуру α-твердого розчину. Однофазна структура твердого розчину забезпечує кремнистим бронзам високу пластичність і гарну оброблюваність тиском. При збільшенні змісту кремнію більше 3% у структурі сплавів з'являється тверда і тендітна γ-фаза, що знижує їхню пластичність.

Домішки марганцю й нікелю підвищують міцність і твердість кременистих бронз. Нікель, маючи змінну розчинність в α-фазі, створює можливість для зміцнення нікель-кременистих бронз проведенням загартування й старіння. Після загартування від 800°С і старіння при 500°С БрКН-1-3 і БрКН-0,5-2 мають σ_в > 700 МПа, δ≈8 %.

Кременисті бронзи випускають у вигляді стрічок, смуг, прутків, дроту. Для фасонних виливків вони застосовуються рідко. Їх використають замість більше дорогих олов'яних бронз при виготовленні антифрикційних деталей (БрКН1-3), (БрКМц 3-1), а також для заміни берилієвих бронз при виробництві пружин, мембран й інших деталей приладів, що працюють у прісній і морській воді.

Ливарні властивості кременистих бронз нижче, ніж олов'яних, алюмінієвих бронз і латуней. Легування цинком сприяє поліпшенню ливарних властивостей цих бронз

4.5.3.4 Берилієві бронзи

Берилієві бронзи характеризуються високими межами міцності й пружності, твердістю й корозійною стійкістю в сполученні з підвищеними опорами утоми. Подвійні берилієві бронзи містять у середньому 2,0...2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5), оскільки при більшому вмісті берилію пластичність стає дуже низькою.

Берилій має змінну розчинність у міді, що зменшується при зниженні температури, що дає можливість проводити зміцнення, що полягає в загартуванні від 780...800^оС і наступному старінні при 325^оС. Найпоширеніша берилієва бронза БрБ2 після гартування з 780°С і старіння при 300...350 °С протягом 2 годин має наступні механічні властивості: σ_в = 1250 МПа, σ_0,2 = 1000 МПа, δ = 2,5 %, твердість 700 НВ, Е = 133 ГПа. Пластична деформація загартованої бронзи й наступне старіння дозволяють збільшити тимчасовий опір до 1400 МПа.

Берилієві бронзи є теплостійкими матеріалами, що стійко працюють при температурах до 310...340°С. При 500°С вони мають приблизно такий же тимчасовий опір, як олов'яно-фосфористі й алюмінієві бронзи при кімнатній температурі.

Берилієві бронзи мають високу теплопровідність й електричну провідність. Вони добре обробляються різанням, зварюються точковим і роликовим зварюванням, однак широкий температурний інтервал кристалізації утрудняє їхнє дугове зварювання.

Берилієві бронзи випускають переважно у вигляді смуг, стрічок, дроту та інших деформованих напівфабрикатів. Разом з тим з них можна одержати якісні фасонні виливки. З берилієвих бронз виготовляють деталі відповідального призначення: пружні елементи точних приладів (плоскі пружини, пружинні контакти, мембрани); деталі, що працюють на зношування (кулачки, шестірні, черв'ячні передачі); підшипники, що працюють при високих швидкостях, більших тисках і підвищених температурах.

Берилієву бронзу застосовують для виготовлення інструменту, який не утворює іскру при ударі об метал або камінь, що дозволяє використати його при вибухонебезпечних гірських роботах.

Основним недоліком берилієвих бронз є їхня висока вартість. Легування Mg, Nі, Tі, Co дозволяє зменшити вміст берилію до 1,7...1,9% без помітного зниження механічних властивостей (БрБНТ1,7 та ін.).