Бронзы и их характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Описание бронз

2. Виды бронз

2.1 Оловянные

2.2 Алюминиевые

2.3 Бериллиевые

2.4 Кремнистая

3. Сплавы бронз

4. Применение бронз

5. Характеристика БрОц4-3

Расчетная работа

Справочная литература

1. Описание бронз

Бронза - это сплавы меди с оловом в различных пропорциях (медь в избытке), затем сплавы меди с оловом и цинком, а также некоторыми другими металлами или металлоидами (свинцом, марганцем, фосфором, кремнием и др., в небольших количествах). Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой). Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры -- их процентное содержание. Марки обозначаются следующим образом: первые буквы в марке означают: Бр. - бронза; буквы, следующие за Бр., означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор. Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов.

В марках бронзы содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом. Например, Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al,4% Fe и 4% Ni (и 82% Cu); Бр. КМц3-1 означает бронзу с 3% Si,и 1% Mn (и 96% Cu).

Присутствие посторонних металлов в настоящей бронзе (сплавах меди с оловом) носит иногда случайный характер и обуславливается неполной чистотой исходного материала, но обыкновенно прибавка известного количества тех или других веществ производится заведомо, с определенными целями, и тогда такая бронза получает особые названия (марганцовая бронза, фосфорная бронза и т.д.). От прибавки олова медь становится более легкоплавкой, твердой, упругой, а, следовательно, способной к полировке, но менее тягучей, а потом бронза, главным образом, идет на отливку различных предметов. Качества бронзы зависят от состава, способов приготовления и последующей обработки. Если сплавы меди с оловом, содержащие от 7% до 15% последнего и наиболее употребительные в практике, подвергнуть медленному охлаждению, то происходит разделение сплава и часть более богатая медью застывает ранее; такое явление, называемое ликвацией бронзы. Разделение до известной степени можно устранить прибавкой некоторых веществ (напр., фосфористой меди, цинка) или быстро охлаждая отлитые предметы (обратно, примесь свинца обусловливает более легкое разделение сплава, так что следует избегать прибавки этого последнего свыше 3%). При закалке бронзы происходит явление совершенно обратное тому, которое наблюдается для стали: бронза становится мягкой и до известной степени ковкой.

Цвет бронзы, с увеличением процентного содержания олова, переходит из красного (90% - 99% меди) в желтый (85% меди), белый (50%) и стально-серый (до 35% меди). Что касается тягучести, то при 1% - 2% олова сплавы ковки на холоду, но менее, нежели чистая медь; при 5% олова бронзу можно ковать только при температуре красного каления, а при содержании свыше 15% олова ковкость совершенно пропадает; сплавы с очень большим процентом олова опять становятся несколько мягкими и вязкими. Сопротивление разрыву зависит частью от состава, частью от агрегатного состояния, обусловливаемого способом охлаждения; при полной однородности и одинаковом составе, бронза с мелко кристаллическим строением обладает большею способностью сопротивления.

2. Виды бронз

2.1 Оловянные бронзы

Из диаграммы состояния Cu - Sn следует, что предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8 % (рис.10.11а). Сплавы этой системы характеризует склонность к неравновесной кристаллизации, в результате чего в реальных условиях охлаждения значительно сужается область б-твердого раствора, его концентрация практически не меняется с понижением температуры, не происходит эвтектоидного превращения д -фазы. (см.штриховые линии диграммы) и при содержании олова более 6 - 8 % в структуре сплавов присутствует эвтектоид (б + д), где д-фаза - электронное соединение Cu Sn со сложной кубической решеткой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью. Появление д-фазы в структуре бронз вызывает резкое снижение их вязкости и пластичности(рис.10.11б). Поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10 % Sn.

В оловянные бронзы часто вводят фосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода в расплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшает жидкотекучесть и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, в частности, качественное художественное литье. Фосфор в бронзах с небольшим количеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди Си3Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность, поэтому в деформируемые сплавы вводят не более 0,5% Р.

Оловянные бронзы легируют цинком в больших количествах, но в пределах растворимости. При таких содержаниях цинк благоприятно влияет на свойства оловянных бронз:

· снижает склонность к ликвации и повышает жидкотекучесть, поскольку он уменьшает температурный интервал кристаллизации сплавов;

· способствует получению более плотного литья;

· раскисляет расплав и уменьшает содержание в нем водорода;

· улучшает прочностные свойства.

Никель повышает прочностные свойства и улучшает пластичность и деформируемость, повышает их коррозионную стойкость, плотность, уменьшает ликвацию. Бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением. Свинец повышает жидкотекучесть и плотность, их антифрикционные свойства.

Естественно, желательно применять дешевые недефицитные легирующие элементы. По этой причине в литейных бронзах стремятся уменьшать содержание олова за счет дополнительного легирования другими элементами.

1. По назначению оловянные бронзы можно разделить на несколько групп :

2. Литейные стандартные БрОЗЦ12С5 Бр05Ц5С5 Бр04Ц4С17 Бр04Ц7С5 БрОЗЦ7С5Н1

3. Литейные ответственного назначения БрОФ Бр010Ц2 Бр08Ц4 БрОбЦбСЗ БрОЮСЮ Бр05С25

4. Деформируемые БрОФ8-0,3 БрОФ6,5-0,4 БрОФ6,5-0,15 БрОФ4-0,25 БрОЦ4-3 БрОЦС4-4-2,5

Первая группа -- литейные стандартные,предназначенные для получения разных деталей машин методами фасонного литья. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования:

· хорошая обрабатываемость резанием;

· высокая плотность отливок;

· достаточная коррозионная стойкость;

· высокие механические свойства.

Вторая группа -- литейные нестандартные ответственного назначения, обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением истиранию. Эти сплавы применяют для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. Наибольшей прочностью в сочетании с высокими антифрикционными свойствами обладает бронза Бр010Ф1, что обусловлено высоким содержанием олова и легированием фосфором.

Третья группа -- деформируемые, они отличаются от литейных более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости. Основные легирующие элементы в деформируемых бронзах - олово, фосфор, цинк и свинец, причем олова в них меньше, чем в литейных бронзах. Деформируемые бронзы можно разделить на сплавы, легированные оловом и фосфором (БрОФ6,5-0,4; БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25), и сплавы, не содержащие фосфора (БрОЦ4-3 и БрОЦС4-4-2,5). Из этих бронз наилучшая обрабатываемость давлением у бронзы БрОЦ4-3. Бронза БрОЦС4-4-2,5, содержащая свинец, совсем не обрабатывается давлением в горячем состоянии из-за присутствия в ней легкоплавкой эвтектики. Эта бронза предназначена для изготовления деталей, работающих в условиях трения, и поэтому легирована свинцом.

Четвертая группа -- сплавы художественного литья (БХ1, БХ2, БХЗ). Для изготовления художественных изделий бронза -- наиболее подходящий материал. Она достаточно жидкотекуча, хорошо заполняет самые сложные формы, обладает очень небольшой усадкой при затвердевании и поэтому хорошо передает форму изделия. Эти бронзы отличаются красивым цветом, сохраняющимся благодаря их высокой коррозионной стойкости достаточно долгое время. На поверхности бронз под воздействием естественной среды образуется патина -- тончайшая оксидная пленка различных цветовых оттенков, от зеленого до темно-коричневого. Патина придает бронзовым скульптурам и декоративным изделиям красивую ровную окраску.

Основные виды термической обработки бронз -- гомогенизация и промежуточный отжиг. Основная цель этих операций -- облегчение обработки давлением. Гомогенизацию проводят при 700...750 °С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия остаточных напряжений в отливках достаточно 1-ч отжига при 250 °С. Промежуточный отжиг при холодной обработке давлением проводят при температурах 550... 700 °С.

2.2 Алюминиевые бронзы

По распространенности в промышленности алюминиевые бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. В меди растворяется довольно большое количество алюминия: 7,4% при 1035 °С, 9,4% при 565 °С и около 9% при комнатной температуре. С увеличением содержания алюминия прочностные свойства сплавов повышаются. Оптимальными механическими свойствами обладают сплавы, содержащие 5...8% А1.

Наряду с повышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность.

Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными имеют следующие преимущества:

· меньшую склонность к дендритной ликвации;

· большую плотность отливок;

· лучшую жидкотекучесть;

· более высокую прочность и жаропрочность;

· более высокую коррозионную и противокавитационную стойкость;

· меньшую склонность к хладноломкости.

Кроме того, алюминиевые бронзы не дают искр при ударе.

Недостатки алюминиевых бронз:

· значительная усадка при кристаллизации

· склонность к образованию крупных столбчатых кристаллов;

· сильное окисление в расплавленном состоянии, при котором образуются оксиды алюминия, приводящие к шиферному излому в деформированных полуфабрикатах;

· вспенивание расплава при заливке в форму;

· трудность пайки твердыми и мягкими припоями;

· недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков алюминиевые бронзы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Марганец растворяется в алюминиевых бронзах в больших количествах (до 10%). Марганец повышает прочность бронз, их пластичность, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства, способность к холодной обработке давлением. Двойные сплавы меди с алюминием не обрабатываются давлением в холодном состоянии, если содержание алюминия превышает 7 %. Тройная бронза БрАМ9-2 хорошо обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Никель сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при понижении температуры. Поэтому медные сплавы, одновременно легированные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения интерметаллидов. Никель улучшает механические свойства и коррозионную стойкость алюминиевых бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропрочные свойства. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Небольшие содержания титана увеличивают плотность отливок и их прочность. Благоприятное влияние титана на свойства бронз обусловлено его действием как дегазатора, уменьшающего газонасыщенность расплава, и модификатора, измельчающего зерно.

Цинк заметно снижает антифрикционные и технологические свойства алюминиевых бронз и поэтому является нежелательной примесью.

Некоторые алюминиевые бронзы применяют только как литейные (БрАМц10-2; БрАЖН11-6-6; БрАЖС7-1,5-1,5), другие - только как деформируемые (БрА5, БрА7). Большую группу бронз (БрАМц9-2; БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН10-4-4) используют и как деформируемые, и как литейные сплавы. Если бронзы третьей группы применяют как литейные, то к их марке добавляют букву Л. Деформируемые и литейные бронзы одной марки различаются по содержанию примесей. В литейных сплавах допускается большее их содержание.

Наиболее пластичная и наименее прочная бронза -- БрА5. Она легко деформируется при всех видах обработки давлением. Меньшей, но достаточно высокой обрабатываемостью давлением отличаются бронзы БрА7 и БрАМц9-2, предназначенные для получения прутков, листов и лент. Остальные бронзы (БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН10-4-4) деформируются только в горячем состоянии, так как в их структуре довольно много эвтектоида (до 30...35%). Вместе с тем благодаря эвтектоиду и железистым включениям антифрикционные свойства и прочность этих бронз выше, чем у перечисленных выше сплавов.

Из всех медноалюминиевых сплавов наибольшим временным сопротивлением разрыву обладает бронза БрАЖ10-4-4, которую применяют и как деформируемую, и как литейную. Она жаропрочна и сохраняет удовлетворительную прочность до 400...500 °С. При температурах до 250...400 °С у бронзы БрАЖН10-4-4 наименьшая ползучесть по сравнению с другими алюминиевыми бронзами.

Деформируемые полуфабрикаты применяют в состоянии поставки или подвергают дорекристаллизационному или рекристаллизационному отжигу. Дорекристаллизационный отжиг алюминиевых бронз приводит к повышению их упругих свойств. Большинство алюминиевых бронз относятся к термически неупрочняемым сплавам. Исключение составляет бронза БрАЖН 10-4-4, которая эффективно упрочняется закалкой с 980 °С с последующим старением при 400 °С, 2 ч.

2.3 Бериллиевые бронзы

Сплавы меди с бериллием отличаются уникальным благоприятным сочетанием в них высоких прочностных и упругих свойств, высокой электро- и теплопроводностью, высоким сопротивлением разрушению и коррозионной стойкостью. Бериллий обладает в меди уменьшающейся с понижением температуры растворимостью, поэтому бериллиевые бронзы термически упрочняются. Оптимальными свойствами обладают сплавы, содержащие 2...2,5% Be. При дальнейшем увеличении содержания бериллия прочность сплавов повышается мало, а пластичность становится чрезмерно малой. Как и другие дисперсионно-твердеющие сплавы, бериллиевые бронзы обладают наилучшим комплексом свойств при содержании легирующих элементов, близком к максимальной растворимости. Пересыщенный твердый раствор в интервале температур 500...380 °С распадается очень быстро. Поэтому скорость охлаждения бериллиевых бронз при закалке должна быть достаточно большой (обычно их закаливают в воду). Нерезкое охлаждение в интервале температур 500...380 °С приводит к частичному прерывистому распаду пересыщенного раствора с образованием пластинчатых перлитообразных структур. Прерывистый распад нежелателен по двум причинам: а) сплавы охрупчиваются из-за локализации прерывистого распада по границам зерен; б) при последующем старении уменьшается упрочнение, обусловленное непрерывным распадом пересыщенного раствора, а эффект упрочнения от прерывистого распада меньше, чем от непрерывного.

Бериллиевые бронзы дополнительно легируют никелем и титаном. Никель образует малорастворимый бериллид никеля NiBe и уменьшает растворимость бериллия в меди. Он замедляет фазовые превращения в бериллиевых бронзах и облегчает их термическую обработку, так как отпадает необходимость в крайне высоких скоростях охлаждения. Никель задерживает рекристаллизационные процессы в сплавах Cu-Be, способствует получению более мелкого рекристаллизованного зерна, повышает жаропрочность. Титан образует соединения которые обеспечивают дополнительное упрочнение.

Бериллиевые бронзы отличаются высоким сопротивлением малым пластическим деформациям из-за сильного торможения дислокаций дисперсными частицами. С увеличением этого сопротивления уменьшаются обратимые и необратимые микропластические деформации при данном приложенном напряжении и, следовательно, релаксация напряжений. Все это приводит к повышению релаксационной стойкости сплавов -- основной характеристики, которая определяет свойства упругих элементов.

Наибольшее распространение получили бронзы БрБ2, БрБНТ1,7 и БрБНТ1,9.После упрочняющей термической обработки они характеризуются высокими прочностными и пружинящими свойствами, а также удовлетворительным сопротивлением ползучести и хорошей коррозионной стойкостью. Они обладают отличной износостойкостью, сохраняют высокую электро- и теплопроводность. Эти сплавы мало склонны к хладноломкости и могут работать в интервале температур от --200 до +250 °С.

Указанные свойства обусловили применение бериллиевых бронз в ответственных назначениях, где требуется сочетание ряда уникальных свойств. Широкому применению бериллиевых бронз препятствует стоимость и дефицитность бериллия, А также его токсичность.

2.4 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. При увеличении содержания кремния до 3,5% повышается не только временное сопротивление разрыву меди, но и относительное удлинение.

Двойные сплавы системы Cu-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 не дают искр при ударе; обладают довольно высокой жидкотекучестью. Недостатком этих сплавов является большая склонность к поглощению газов.

В промышленном масштабе применяют бронзы БрКМцЗ-1 и БрКН1-3. БрКМцЗ-1 имеет однофазную структуру и отличается высокими технологическими, механическими, пружинящими и коррозионными свойствами. Эту бронзу применяют как деформируемую. БрКН1-3 термически упрочняется; после закалки с 850 °С временное сопротивление разрыву составляет около 350 МПа при относительном удлинении 30%, а после старения при 450 °С в течение 1 ч - 700 МПа при относительном удлинении 8%.

3. Сплавы бронзы

5. Характеристики БрОЦ4-3

Механические свойства при Т=20 °С материала БрОЦ4-3

Физические свойства материала БрОЦ4-3

Литейно-технологические свойства материала БрОЦ4-3

Химический состав в % материала БрОЦ4-3

Примечание: Cu - основа; процентное содержание Cu дано приблизительно

Механические свойства

Физические свойства

Магнитные свойства

Свариваемость

Расчетная работа

бронза сплав механический литейный

1. График изменения полного сопротивления контактов в зависимости от усилия прижима показывает, что с увеличением усилий прижима микровыступы поверхности контактов упруго деформируются и происходит выдавливание газовой пленки, химические поверхностные пленки разрушаются, возникают и увеличиваются участки чисто металлического контакта, полное сопротивление контакта уменьшается.

2.График предельно допустимого тока в зависимости от изменения сопротивления контактов показывает, что чем больше сопротивление контактов, тем меньший ток можно пропускать через них, т.к. контакт начнет перегреваться вследствие выделения на нем большой мощности.

3. График предельно допустимого тока через контакты в зависимости от изменения усилия прижима показывает, что чем больше усилие прижима, тем меньше сопротивление, и выше предельно допустимый ток через контакты.

Справочная литература

1. Подчайнова В.Н., Медь, (М., Свердловск: Металургиздат, 1991. - 249с.);

2. Смирнов В. И., Металлургия меди и никеля, (М., Свердловск , 1950. -234с.);

3. Газарян Л. М., Пирометаллургия меди, (М., 1960. - 189с.);

4. Справочник металлурга по цветным металлам, под редакцией Н. Н. Мурача,

(2 изд., т. 1, М., 1953, т. 2, М., 1947. - 211с.);

Размещено на Allbest.ru