3.1.5. Оловянные бронзы

Оловянные бронзы являются наиболее старыми из всех цветных сплавов. Они сыграли выдающуюся роль в развитии материальной культуры. Долгое время эти сплавы были единственным материалом для получения литых изделий различного назначения. Большой температурный интервал кристаллизации и связанный с этим объемный характер затвердевания приводили к тому, что усадка реализовывалась в форме усадочной пористости, при этом не требовалось устанавливать массивные прибыли. Низкие значения усадки позволяли точно воспроизвести конфигурацию модели, поэтому оловянные бронзы длительное время оставались единственным материалом для художественных отливок.

Широкому использованию этих бронз для фасонного литья способствовали и их исключительные эксплуатационные свойства. Обладая умеренными механическими свойствами, оловянные бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, в том числе в морской воде, обладают отличными антифрикционными свойствами: малым коэффициентом трения, высоким сопротивлением износу, высокой кавитационной стойкостью. Они не чувствительны к коррозии под напряжением и в большой степени наследуют основные свойства чистой меди, а именно высокую электро – и теплопроводность. Эти эксплуатационные свойства делают оловянные бронзы до настоящего времени незаменимым материалом для многих механизмов и машин.

В промышленности используют двойные оловянные бронзы – сплавы меди с оловом и многокомпонентные бронзы, содержащие в составе, кроме олова, добавки цинка, свинца, фосфора и других элементов.

Характер взаимодействия олова с медью определяется диаграммой состояния, приведенной на рис 7.

Рис. 7. Диаграмма состояния Cu – Sn.

Растворимость олова в меди существенно изменяется при понижении температуры. Она составляет 13,5 % при температуре перитектики (798 ^оС) возрастает до 15,8 % при температуре первого эвтектоидного превращения (586 ^оС), а затем понижается до 11 % при температуре третьего эвтектоидного превращения (350 ^оС) и становится менее 1 % при 200 ^оС и ниже.

С учетом образования нескольких химических соединений и протекания перитектических и эвтектоидных превращений в структуре сплавов системы Cu – Sn кроме твердого раствора олова в меди появляется несколько промежуточных фаз β, γ, δ, ε и др. Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержащие не более 29 % Sn., поэтому ограничимся рассмотрением только перечисленных фаз. В их основе лежат химические соединения: Cu₅Sn – β-фаза, Cu₃₁Sn₈ – γ и δ-фазы, Cu₃Sn – ε-фаза. Характерной чертой системы Cu – Sn является медленное протекание диффузионных процессов, поэтому при больших скоростях охлаждения процесс распада в твердом состоянии ограничивается первым эвтектоидным превращением (586 ^оС), а при более медленном охлаждении вторым превращением (520 ^оС). Область твердого α – раствора, ограниченная сплошной линией, характерна лишь для равновесных условий. При реальных скоростях охлаждения отливок эта область сужается. На диаграмме состояния пунктирной линией показано среднее положение границы α – раствора при литье в металлические формы. Это подтверждается микроструктурой сплавов в литом состоянии (рис. 8). Микроструктура литой бронзы с 5 % Sn (рис.8, а) состоит из первичных дендритов твердого раствора с малым содержанием Sn, промежутки между которыми заполнены твердым раствором, обогащенным оловом. В структуре бронзы с 10 % Sn (рис.8, б) появляется эвтектоид α + δ, хотя по равновесной диаграмме состояния должен был произойти эвтектоидный распад δ-фазы.

Из диаграммы состояния системы Cu – Sn следует, что при таком содержании олова, как в стандартных сплавах, их нельзя упрочнить термической обработкой.

Рис. 8. Микроструктура двойных оловянных бронз: а – 5 % Sn, б – 10 % Sn.

Появление в структуре эвтектоида, содержащего интерметаллидную δ-фазу Cu₃₁Sn_8, приводит к повышению прочности, твердости и снижению пластичности. В связи с этим, а также из экономических соображений, в действующем ГОСТ 613-79 содержание олова ограничено до 10 %.

Все оловянные бронзы, как и другие цветные сплавы, делятся на деформируемые и литейные. Маркировка деформируемых и оловянных латуней одинакова, только в конце некоторых марок литейных бронз ставится буква Л. В ГОСТ 5017 – 74 включено 9 марок деформируемых оловянных бронз. Кроме олова они легированы фосфором (БрОФ 8-0,3, БрОф 7-0,2, БрОф 6,5-0,4, БрОФ 6,5-0,15, БрОф 4-0,25 и БрОФ 2-0,25), цинком (БрОЦ 4-3), а также цинком и свинцом (БрОЦ4-4-2,5). Для сохранения пластичности максимальное содержание олова в деформируемых сплавах менее 10 %.

Все литейные оловянные бронзы представляют собой многокомпонентные сплавы, так как двойные бронзы из-за широкого интервала кристаллизации отличаются плохой жидкотекучестью и значительной пористостью. Состав литейных оловянных бронз приведен в таблице 7, а механические, физические и технологические свойства в таблицах 8 и 9.

Таблица 7

Химический состав литейных оловянных бронз по ГОСТ 613 – 79.

Вставить таблицу из ГОСТ 613 – 79 с.2 В альбомном формате

Таблица 8

Механические свойства и области применения литейных оловянных бронз по ГОСТ 613 – 79.

Марка	Способ литья	Свойства, не менее			Области применения
		σв, МПа	δ, %	НВ, МПа
БрО3Ц12С5 БрО3Ц7С5Н1 БрО3Ц7С5 БрО4Ц4С217 БрО5Ц5С5 БрО5С25 БрО6Ц6С3 БрО8Ц4 БрО10Ф1 БрО10Ц2 БрО10С10	к п к п к п к п к п к п к п к п к п к п к п	206 176 206 176 176 147 147 147 176 147 137 147 176 147 196 196 245 216 226 216 196 176	5 8 5 8 4 6 12 5 4 6 6 5 4 6 10 10 3 3 10 10 6 7	588 588 588 588 588 588 588 588 588 588 588 441 588 588 735 735 882 784 735 637 735 637	Арматура общего назначения Детали, работающие в масле, паре и в пресной воде Арматура, антифрикционные детали Антифрикционные детали Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников Биметаллические подшипники скольжения Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников Арматура, части трубо- проводов, детали насосов, работающие в морской воде Узлы трения, детали шнековых приводов, нажимные и шнековые гайки, венцы червячных шестерен Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников, детали трения и облицовки гребных винтов Подшипники скольжения, работающие при высоких удельных давлениях

Таблица 9

Физические и технологические свойства литейных оловянных бронз.

Марка	Плотность, г/см^3	Тем-ра плавления, оС	Линейная усадка, %	Объемная усадка, %	Жидкотеку-честь, мм
БрО3Ц12С5 БрО3Ц7С5Н1 БрО3Ц7С5 БрО4Ц4С217 БрО5Ц5С5 БрО5С25 БрО6Ц6С3 БрО8Ц4 БрО10Ф1 БрО10Ц2 БрО10С10

Таблица

Технологические свойства литейных оловянных бронз .

Цинк хорошо растворяется в меди и оказывает растворное упрочнение. Одновременно цинк улучшает пластичность. Он улучшает равномерность распределения свинца, способствует увеличению коррозионной стойкости бронзы в морской воде. Снижая интервал кристаллизации, цинк повышает жидкотекучесть, плотность и уменьшает склонность к обратной ликвации. Благодаря такому благоприятному воздействию на свойства оловянных бронз, цинк в ходит в состав большинства стандартных марок этих сплавов.

Свинец, наоборот не растворим в меди, и образует в структуре самостоятельную мягкую фазу, повышающую антифрикционные свойства. Свинец в оптимальных концентрациях повышает жидкотекучесть и плотность бронз. Наиболее удачным сочетанием добавок олова, цинка и свинца являются концентрации по 5 – 6 % каждого (БрО5Ц5С5).

Фосфор является прекрасным раскислителем бронз. Небольшие добавки фосфора улучшают литейные, антифрикционные и механические свойства.

Легирование оловянных бронз никелем уменьшает ликвацию свинца, измельчает макроструктуру, повышает прочность и пластичность.

Как следует из таблицы 7, литейные оловянные бронзы применяют для получения антифрикционных деталей, а также арматуры и деталей, работающих в пресной и морской воде, паровоздушной атмосфере. Бронзы со свинцом использую только в качестве антифрикционного материала. При литье в песчаные формы отливки имеют крупнозернистую структуру и повышенную усадочную пористость. Этот недостаток можно устранить модифицированием малыми добавками ванадия и бора или титана и бора (от 0,02 до 0,05 % каждого). Более плотными получаются и отливки в кокиль, особенно в кокиль с водяным охлаждением.

Микроструктура литейных оловянных бронз (рис. 8) сложнее, чем у двойных сплавов. Кроме α – твердого раствора или α – твердого раствора и эвтектоида α + δ, появляются дополнительные фазы. Так в бронзах с фосфором присутствует фосфид меди Cu₃P или тройной эвтектоид α + Cu₃P + δ (рис. 8 ,а). В бронзах со свинцом (рис. 8, б) заметны включения свинца.

Мальцев

Рис. 8. Микроструктура литейных оловянных бронз: а – БрО10Ф1 (х 500); б – БрО6Ц6С3 (х250).

Литейные свойства оловянных бронз (см. табл. 8) можно признать удовлетворительными и в целом они не вызывают больших сложностей при получении отливок. К достоинствам можно отнести малую величину линейной усадки. Основным недостатком, связанным с широким интервалом кристаллизации, можно считать склонность к рассеянной усадочной пористости.