Влияние легирующих элементов на свойства оловянных бронз

 В связи с тем, что двойные оловянные бронзы дороги и имеют пониженные литейные свойства, их обычно дополнительно легируют цинком, никелем, свинцом, фосфором, железом.

  Цинк улучшает жидкотекучесть оловянных бронз, плотность отливок, способность к сварке и пайке, уменьшая интервал кристаллизации.

 Для экономии более дорогостоящего олова (в некоторых стандартизованных литейных бронзах содержание олова снижено до 3-6 %) в бронзы добавляют от 2 до 15 % Zn. В таком количестве цинк полностью растворяетcя в твердом растворе, что способствует повышению механических свойств. Таким образом, цинк не только удешевляет оловянные бронзы, но и улучшает их технологические и механические свойства.

Добавление цинка и никел я в литые оловянные бронзы повышают литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1%) и хорошую жидкотекучесть. Эти элементы новых фаз не образуют, но растворяясь в твердом растворе, они способствуют увеличению количества эвтектоида.Никель, кроме того, способствует измельчению структуры, повышению механических свойств и коррозионной стойкости.

Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические и антикоррозионные свойства оловянных бронз.

Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз (восстанавливает оксид олова Sn0₂), повышает их жидкотекучесть, износостойкость улучшается благодаря появлению твердых включений фосфида Сu-Сu₃Р. Кроме того, фосфор повышает предел прочности, предел упругости и выносливость бронз, но ухудшает пластичность.

Свинец снижает механические свойства и улучшает обрабатываемость резанием и антифрикци­онные свойства. Структура оловянных бронз (Бр010Ц2, Бр03Ц12С5, Бр04Ц4С17) полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрикцион­ных сплавов. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением. Рассеянная пористость не мешает этому, поскольку у поверхности отливок имеется зона с мелкозернистой структурой, обладающая высокой плотностью. При усовершенствовании технологии получают отливки, выдерживающие давление до 30 МПа.

Области применения оловянных бронз

Бронзы, содержащие 9-10% Sn, являются одним из лучших антифрикционных материалов и применяются для изготовления подшипников. Наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, а мягкие частицы облегчают “приработку” и образуют на поверхности мельчайшие каналы, по которым может циркулировать смазка. Для улучшения антифрикционных свойств в состав бронз также вводят свинец. Литые оловянные бронзы имеют предел прочности s_B=170-200 MPа при относительном удлинении d=5-10 %.

Из бронзы изготавливают сложные отливки, в частности художественное литье. Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

Среди оловянных бронз следует выделить так называемую колокольную бронзу. Она содержит около 20% Sn с небольшими добавками других элементов.

 

Алюминиевые бронзы

  Согласно диаграмме состояния Сu-А1 (рис.2.6, а) предельная растворимость алюминия в меди составляет 9,4%.

Рис. 2.6. Диаграмма состояния системы Cu-Al (а) и зависимость механических свойств алюминиевой бронзы от содержания алюминия (б)

 

Из диаграммы состояния следует, что медь образует с алюминием широкую область a-твердых растворов замещения с кристаллической решеткой ГЦК, а также b-фазу на базе электронного соединения Cu₃Al. При температуре 565 °С b-фаза претерпевает эвтектоидное превращение при 565°С по реакции b®a+g´, где g´ - промежуточ­ная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой.

Алюминиевые бронзы, как и оловянные, бывают однофазные и двухфазные. Сплавы, содержащие до 9,4% Al, однофазные и состоят только из a-твердого раствора алюминия в меди. Однофазные алюминиевые бронзы характеризуются высокой пластичностью, их - используют для глубокой штамповки.

 При содержании алюминия более 9,4% появляется эвтектоид (α+δ) (рис.2.7). Микроструктура таких сплавов состоит из светлых        первичных кристаллов a-твердого раствора и темных участков эвтектоида. Двухфазное строение эвтектоида трудно различить из-за высокой дисперсности α- и g₂-фаз.

 

 

Рис. 2.7. Структура литой алюминиевой бронзы с содержанием 10% алюминия

 

Практическое применение имеют бронзы, содержащие до 11 % алюминия. Двухфазные бронзы подвергают горячей обработке давлением или используют в виде фасонного литья. Появление в структуре эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности алюминиевых бронз, но обеспечивает высокие антифрикционные свойства алюминиевых бронз, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

Механические свойства алюминиевых бронз изменяются при увеличении содержания алюминия (рис.2.6,б). С увеличением содержания А1 до 4-5 % наряду с прочностью и твердо­стью повышается пластичность, затем она резко падает, а прочность продолжа­ет расти при увеличении содержания Аl до 10-11 %. Это объясняет­ся тем, что при реальных скоростях охлаждения эвтектоид появляется в струк­туре сплавов при 6-8 % А1. При содержании А1 свыше 9,4 %, а в неравновесных условиях и при меньшем его содержании в структуре сплавов появляется эвтектоид (а+g₂), где g₂ - соединение электронного типа(Cu₃Al). Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности алюминиевых бронз.

 С целью улучшения механических свойств в алюминиевые бронзы вводят Fe, Mn и Ni.

Механические свойства и назначение некоторых безоловянных бронз приведены в табл.2.3.2.

         

Таблица 2.3.2