3.1.6. Безоловянные бронзы

При существенном повышении требований к механическим свойствам материала и герметичности отливок оловянные бронзы часто оказываются непригодными и требуют замены сплавами с более высокими эксплуатационными и технологическими свойствами. Необходимость применения других сплавов вызывается и дефицитностью олова.

Безоловянные литейные бронзы (ГОСТ 493-79) можно подразделить на три группы: алюминиевые, свинцовые и сурьмянистые. Их состав приведен в таблице 9. Литейщикам иногда приходится плавить и получать отливки из некоторых деформируемых бронз (ГОСТ 19175-78). В качестве деформируемых сплавов используют марганцовые, кремнистые и бериллиевые бронзы. Состав этих сплавов также показан в табл. 9

Механические, физические и технологические свойства литейных безоловянных бронз приведены соответственно в таблицах 10 и 11 .

3.1.6.1.Алюминиевые бронзы

Из разд. 3.1.3. следует, что по своим свойствам алюминий относится к основным легирующим добавкам для меди. Первые сведения об алюминиевых бронзах появились в 1870 г., но они длительное время не применялись для получения фасонных отливок из-за образующейся на поверхности прочной плены окислов алюминия. Во время литья плены попадали в тело отливок, резко ухудшая их качество. Совершенствование технологии литья пленообразующих сплавов способствовало широкому применению алюминиевых бронз для получения качественных отливок.

Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами, которые достигнуты в результате удачного подбора легирующего комплекса и могут быть улучшены термической обработкой. Алюминиевые бронзы оказались в числе немногих материалов, удовлетворивших современным требованиям к прочности и герметичности медных сплавов в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Медный угол диаграммы состояния системы Cu-Al приведен на рис.

Рис. Диаграмма состояния системы Cu – Al

При эвтектической температуре 1035 ^оС в меди растворяется до 7,4 % Al При понижении температуры область α –твердого раствора расширяется до 9,4 % при температуре 565 ^оС и далее растворимость не меняется до комнатной температуры. В сплавах, содержащих от 9 до 15 % Al, появляется β -фаза, представляющая собой твердый раствор на базе интерметаллида Cu₃Al. Ниже температуры 565 ^оС β –фаза распадается с образованием эвтектоида α + γ₂. Новая фаза γ₂ представляет собой твердый раствор на базе соединения Cu₃₂Al₁₉. Таким образом структура двойных сплавов при увеличении концентрации Al меняется от однофазного α –твердого раствора до смеси α –твердого раствора и эвтектоида α + γ_2. На рис. приведена микроструктура двойной бронзы с 10 % Al, в которой присутствуют обе составляющие.

Рис. .Микроструктура двойной бронзы с 10 % Al в литом состоянии: а – структурные составляющие (х250); б – строение эвтектоида (х500).

При увеличении количества эвтектоида растут прочностные характеристики бронзы, но резко снижаются пластичность и ударная вязкость (рис .), поэтому в промышленных сплавах содержание алюминия ограничено в пределах 9 – 11,5 %.

Мальцев стр. 167 рис. 85

Рис. Изменение механических свойств двойных алюминиевых бронз в зависимости от содержания алюминия

Все промышленные алюминиевые бронзы являются многокомпонентными сплавами. Из большого числа элементов, которые можно отнести к основным и вспомогательным добавкам, в алюминиевых бронзах используют присадки марганца, железа, никеля и цинка.

Добавки железа (1 – 4 %) измельчают зерно бронз и упрочняют твердый раствор. Крупногабаритные отливки из алюминиевых бронз склонны к самоотжигу (при медленном охлаждении в песчаных формах происходит рост зерна и фаза γ₂в эвтектоиде выделяется в виде крупных пластин, что снижает пластичность). Железо подавляет это явление и замедляет эвтектоидный распад, что благоприятно сказывается на механических свойствах сплавов. В структуре латуни при содержании железа на верхнем пределе появляется самостоятельная железистая фаза. Из рис. где приведена микроструктура алюминиевожелезистой бронзы (по границам светлых кристаллов α –твердого раствора располагаются темные включения эвтектоида и мелкие включения железистой фазы) видно, что под влиянием добавки железа она стала более дисперсной, чем у двойной латуни (см. рис..). Бронза БрА9Ж3Л подходит для изготовления массивных деталей, отливаемых в песчаных формах (зубчатые венцы, гайки нажимных винтов, ободья и др.). Рабочие температуры до 250 ^оС.

Рис. . Микроструктура литой бронзы БрА9Ж4. х75

Марганец хорошо растворяется в бронзах и оказывает растворное упрочнение. Он существенно повышает коррозионную стойкость сплавов. Из бронз БрА9Мц2 и БрА10Мц2Л изготовляют зубчатые колеса, шестерни венцы зубчатых колес, ходовые гайки, втулки и др. детали, работающие на истирание; корпуса насосов, тарелки клапанов, а также различные детали, работающие в пресной воде, топливе и паровой атмосфере при температурах до 250 ^оС.

Никель образует новые интерметаллические фазы Ni₃Al и NiAl с переменной растворимостью в твердом растворе. Это придает бронзе способность к дисперсионному твердению в ходе закалки и старения. Алюминиевые бронзы с никелем БрА10Ж4Н4Л и БрА11Ж6Н6 используют для деталей нефтяной, химической и пищевой аппаратуры, работающей при температурах до 500 ^оС и для арматуры, работающей в морской воде. Антифрикционные детали из этих бронз выдерживают более высокие давления и скорости, чем из других алюминиевых бронз.

Из алюминиевых бронз, имеющих малый интервал кристаллизации, получаются плотные отливки с концентрированными усадочными раковинами, которые необходимо выводить в прибыли. Усадка больше, а жидкотекучесть лучше, чем у оловянных бронз. Они склонны к образованию крупнозернистой столбчатой структуры. Этот недостаток можно устранить, кроме добавок железа, модифицированием бором, ванадием, ниобием.