16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х

• Название: Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
• Дата: 14.03.2023
• Размер: 3.25 Mb.
• Имя файла: 16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014.pdf
• Тип: Учебное пособие; #988874
• страница: 13 из 18

Гомогенизационный отжиг широко применяется для деформируемых алюминиевых сплавов. Он является первым видом термической обработки в технологическом процессе производства листов, профилей, штамповок и т. д. В результате отжига структура становится более гомогенной, повышается пластичность, что позволяет значительно интенсифицировать последующую обработку давлением и уменьшить технологические отходы. Рассмотрим сущность гомогенизационного отжига на примере сплава. Как видно из рис. 79, в равновесном состоянии сплав состоит из твердого раствора и вторичных кристаллов (Al
2
Cu)
II
. В результате быстрого охлаждения и неравновесной кристаллизации по границам дендритных ячеек выделяется неравновесная эвтектика состоящая из достаточно грубых включений Al
2
Cu. Если нагреть сплав до температуры гомогенизации t гом и выдержать при этой температуре, то эвтектические включения Al
2
Cu растворятся в и концентрация меди по объему твердого раствора станет более равномерной и сплав приобретет однофазную гомогенную структуру. Следовательно, при выборе температуры гомогенизации следует руководствоваться тем, что она должны быть выше температуры полного растворения легирующих компонентов в алюминии, те. выше и ниже температуры равновесного солидуса t сол
. Кроме того, следует учитывать наличие в слитке неравновесной эвтектики с температурой плавления t эвт
Если слиток быстро нагреть до температуры выше t эвт
, то эвтектика расплавится и медь из нее продиффундирует в твердый раствор. Однако, как правило, температура гомогенизации выбирается ниже t эвт
. Вообще при любой термической обработке не следует допускать нагрев до появления
Т,
о
С
2
I
Al
Cu %
Cu
t
гом
(Al
2
Cu)
II
4
6
200
400
600
548
о
5,65
t
1
t
сол
t
эвт
Рис. 79. Виды термической обработки алюминиевых сплавов

154 жидкой фазы, поскольку это сопровождается межзеренным окислением и образованием пористости, что приводит к резкому снижению прочности и пластичности сплавов. Температура нагрева при гомогенизационном отжиге для большинства промышленных сплавов находится в пределах 450…540 С, а выдержка составляет 4…40 часов. Выдержка должна обеспечить полное растворение неравновесных эвтектических включений и должна быть тем длительнее, чем грубее включения. Скорость охлаждения при гомогенизации обычно не регламентируется. Слитки охлаждаются вместе с печью или на воздухе. При таком охлаждении растворенные легирующие компоненты вновь выделяются из твердого раствора в виде вторичных кристаллов интерметаллидов. Однако эти кристаллы меньше имевшихся до гомогенизации эвтектических включений и распределены более равномерно. В связи с этим пластичность сплава остается высокой.
Рекристаллизационный отжиг часто используется как промежуточная операция между различными этапами холодной деформации или между горячей и холодной деформациями для устранения неравновесности структуры. Иногда этот отжиг используется в качестве окончательной термообработки деформированных заготовок для получения изделий умеренной прочности, но высокой пластичности. При нагреве деформированных металлов и сплавов до определенной температуры в них начинается процесс образования и роста новых зерен с совершенной кристаллической структурой. Все свойства деформированного металла в результате рекристаллизации меняются в направлении, обратном тому, в каком они менялись при холодной деформации прочность и твердость уменьшаются, а пластичность растет. При рекристаллизационном отжиге деформированный сплав нагревается до температуры выше температуры окончания первичной рекристаллизации на 50…150 Си для промышленных сплавов колеблется в интервале 300…500 С, с выдержкой при этой температуре 0,5…2,0 ч.
Дорекристаллизационный отжиг (неполный применяется как окончательная операция в тех случаях, когда сплав изделия должен сочетать прочность и пластичность. В этом случае нагрев осуществляется до температуры меньшей, чем температура рекристаллизации, что составляет СВ результате сплав приобретает полигонизаци- онную структуру и упрочнение от холодной деформации полностью не снимается, так как после больших деформаций полигонизация является, как правило, начальной стадией рекристаллизации. Скорость охлаждения при рекристаллизационном отжиге для сплавов не упрочняемых термической обработкой не играет особой роли и может выбираться произвольно. Для термически упрочняемых сплавов

155 скорость охлаждения должна быть не выше 30 Сч до температуры
200
…250 С, а далее может быть произвольной. Отжиг термически упрочненных сплавов с целью разупрочнения используется только в тех случаях, когда изделие упрочненное закалкой и старением требуется разупрочнить, то есть обеспечить полный распад перенасыщенного твердого раствора и получение структуры, близкой к равновесной. Температура отжига в этом случае должна удовлетворять основному требованию диффузионные процессы при этой температуре должны проходить интенсивно, чтобы перенасыщенный твердый раствор распался полностью за непродолжительное время (1…2 ч. Для промышленных сплавов эта температура составляет 350…400 С. Скорость охлаждения не должна превышать 30 Сч. Закалка Целью закалки является формирование неравновесной структуры пересыщенного твердого раствора с максимальным содержанием легирующих элементов. Она основана на переменной растворимости легирующих элементов и применяется для сплавов, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии. Для алюминиевых сплавов закалка возможна только для тех из них, у которых содержатся компоненты с растворимостью возрастающей при повышении температуры. К таким компонентам относятся медь, кремний, магний, цинк. Если в сплавы входят только те компоненты, растворимость которых в алюминии отсутствует, то их закалка невозможна. При закалке алюминиевые сплавы нагреваются до температур, при которых легирующие элементы растворяются в алюминии полностью или частично. После выдержки необходимо быстрое охлаждение до температуры 10…20 СВ результате этого, структура, соответствующая температуре нагрева, сохраняется до комнатной, так как распад твердого раствора происходить не успевает. Содержание легирующих элементов в твердом растворе после закалки превышает их предельную концентрацию при комнатной температуре. Например, если сплав
Al + 4% Cu нагреть до температуры t гом
(см. рис. 79), выдержать до полного растворения Al
2
Cu в алюминии и охладить вводе до комнатной температуры, то твердый раствор, содержащий 4% Cu, будет сохранен при комнатной температуре. Так как растворимость меди в алюминии при комнатной температуре составляет около 0,2 %, то твердый раствор в закаленном сплаве будет пересыщен враз, что ведет к повышению прочности и возможности его дальнейшего упрочнения. Таким образом, температура нагрева под закалку должна обеспечить возможно более полное растворение интерметаллидных фаз в алюминии. Если содержание легирующих элементов в сплаве не превышает их предельной растворимости при эвтектической температуре t эвт
, например, 5,65 % Cu в

156 сплавах Al–Cu (рис. 79), то компоненты могут практически полностью раствориться при температуре нагрева под закалку (несколько выше t
1
). Если содержание легирующих элементов превышает предельную растворимость (например, в сплаве, содержащем 8 % Cu), то полное растворение интерметаллидных фаз невозможно. В этом случае температура нагрева под закалку должна быть на 5…15 С ниже линии солидуса, при которой эвтектика переходит в жидкое состояние. Выдержка при температуре нагрева под закалку зависит от величины частиц интерметаллидных фаз и их распределении в объеме изделия. Так в деформированных сплавах последние находятся в основном в виде мелких кристаллов, а влитых в виде грубых эвтектических включений. Поэтому для деформируемых сплавов выдержка составляет десятки минута для литейных – часы или десятки часов. Охлаждение изделия при закалке необходимо производить с такой скоростью, чтобы не произошел распад твердого раствора. Такая скорость называется критической кр это наименьшая скорость, при которой распад твердого раствора в процессе охлаждения еще не происходит. Старение относится к заключительной операции термической обработки и представляет собой выдержку закаленного сплава при относительно низких температурах для распада пересыщенного твердого раствора или для обеспечения структурных изменений, являющихся подготовительными к такому распаду. Старение сплавов при комнатной температуре называется естественным, а при повышенной (100…200 С) – искусственным. Сильная пересыщенность твердых растворов в закаленных алюминиевых сплавах, вызывает в них повышенную свободную энергию. Распад твердого раствора ведет структуру сплава к равновесной и уменьшению свободной энергии системы. Следовательно, распад твердого раствора в закаленном сплаве является произвольно идущим процессом. При распаде пересыщенного твердого раствора различаются три стадии – зонная, фазовая и коагуляционная. Зонная стадия характерна тем, что в объеме кристалла перенасыщенного твердого раствора создается химическая неоднородность, те. образуются субмикроскопические зоны с повышенным содержанием легирующего элемента. Эти зоны называются зонами Гинье-Престона
(Г.П.) по имени исследователей, впервые открывших их в дюралюминах сплавы Al-Cu). Например, если в твердом растворе содержится 4 % меди, а в химическом соединении Al
2
Cu которое должно выделиться из твердого раствора) – 52 %, то концентрация меди в зонах Г.П. является промежуточной и возрастает по мере развития процесса. В зависимости от соотношения размеров атомов алюминия и легирующих элементов зоны могут иметь форму дисков или сфер. По мере развития зонной фазы различаются зоны Г.П.1 и Г.П.2. Первые имеют меньшие размеры с

157 хаотичным расположением атомов легирующего компонента. У зон Г.П.2 размеры значительно больше и взаимное расположение атомов алюминия и легирующего элемента упорядоченное. На фазовой стадии из твердого раствора происходит выделение промежуточной фазы, которая по составу соответствует интерметал- лидному соединению со своей кристаллической решеткой когерентно связанной с решеткой твердого раствора. Эта стадия является началом распада последнего, в результате которого происходит образование стабильной фазы интерметаллида с нарушением когерентности его решетки с решеткой твердого раствора. При дальнейшем повышении температуры старения развивается ко- агуляционная стадия, при которой образуется некогерентная интерме- таллидная фаза, укрупняющаяся по мере развития процесса. Изменения структур алюминиевых сплавов при распаде перенасыщенных твердых растворов напрямую влияют на физико-механические и эксплуатационные свойства. На рис. 80 приведена типичная зависимость изменения прочности закаленных алюминиевых сплавов от температуры нагрева при старении. Рост прочности связан с первыми стадиями процесса распада перенасыщенных твердых растворов образованием зон Г.П.1 и Г.П.2, выделением промежуточных метастабильных фаз интерметаллидов. Последующие стадии нарушение когерентности выделений метастабильных фаз, образование и коагуляция стабильных фаз, что вызывает снижение прочности сплавов. Температура старения алюминиевых сплавов выбирается экспериментально. Обычно она соответствует или образованию в перенасыщенных твердых растворах зон Г.П., или выделению когерентных метастабильных фаз. Температура старения для получения максимальной прочности различных сплавов колеблется от 20 С (комнатная) до
200 СВ тех случаях, когда закаленный и состаренный сплав, обладающий недостаточной пластичностью, необходимо подвергнуть холодной деформации (вытяжке, гибке, отбортовке и др, его перезакаливают и сразу после закалки осуществляют необходимую деформацию. Аналогичный результат можно получить и обработкой, которая называется возврат при старении. Она заключается в быстром нагреве, кратковре-
Температура старения
П
ро
чн
ос
т
ь
Рис. 80. Зависимость прочности закаленных алюминиевых сплавов от температуры старения (время старения постоянно)

158 менной выдержке (30…120 с) при температуре 230…270 Си последующим быстрым охлаждением (вводе. После такой обработки практически гомогенный твердый раствори свойства сплава соответствуют свежезакаленному состоянию.
7
.2.4. Применение алюминиевых сплавов В промышленно развитых странах до 20 % всего произведенного алюминия расходуется на нужды электротехники. Высокая электропроводность предопределяет его широкое использование для массивных проводников электрического тока (линии передач, оболочки высоковольтных кабелей, шины распределительных устройств и т. д, то есть там, где наиболее ощутимы его преимущества перед другими материалами. Широко используются алюминиевые сплавы в строительстве гофрированные потолки, перила, оконные проемы, интерьеры. Доминирующими конструкционными материалами являются алюминиевые сплавы в авиации и космической технологии. Все более широкое применение алюминиевые сплавы находят в судостроении, так как имеют существенное преимущество перед сталями алюминиевые корпуса не обрастают ракушками, что снижает обтекаемость корабля и снижает скорость его движения. Из алюминиевых сплавов изготавливается обшивка и внутренний набор автобусов, троллейбусов, железнодорожных вагонов железнодорожные и автоцистерны для перевозки некоторых агрессивных химических веществ, нефти и продуктов ее переработки, продуктов питания. Алюминиевые сплавы являются прекрасным конструкционным материалом в производстве двигателей внутреннего сгорания. Широко используются в промышленных и бытовых холодильниках, в аппаратах по переработке продуктов питания и т. д. Пожалуй, трудно назвать область промышленности, где не использовался бы алюминий и сплавы на его основе.
7
.3. Медные сплавы
7
.3.1. Классификация и обозначение медных сплавов В настоящее время считается, что бронзовому веку предшествовал период, когда оружие и инструменты человек делал из меди. В тоже время из употребления не исчезли еще кремниевые орудия, поэтому его называют каменно-медным веком. Трудно установить точно, когда именно люди начали добывать и обрабатывать металлы. Можно лишь предположить, какие из металлов первыми нашли применение. Очевидно, это были металлы, которые в природе встречаются в виде самородков. К таким наиболее распростра-

159
2
0
4
6
200
400
600
в
,
МПа
8
10
Al
Mn
Zn
Легирующие элементы, Рис. 81. Влияние легирующих элементов на механические свойства меди ненным металлам относятся медь и золото. Скорее всего, золото и было первым металлом, который люди начали использовать. Однако из-за низких механических свойств изготавливать орудия труда или оружие было нецелесообразно. Поэтому, очевидно, первые мелкие изделия, такие как наконечники для стрел и копий, выковывали из найденных самородков меди. Было обнаружено, что при холодной ковке медь не только принимает нужную форму, но и становится тверже. Затем люди открыли, что упрочненный ковкой металл можно снова сделать мягким, нагрев его на огне. В дальнейшем люди научились плавить медь и отливать ее в определенные формы. Однако медь при всех своих достоинствах имела существенный недостаток медные орудия труда и инструменты быстро затуплялись. Даже в холодноупрочненном состоянии свойства меди былине настолько высоки, чтобы заменить изделия из камня. Решающую роль в этом направлении сыграли сплавы меди с другими элементами (бронзы. Основными преимуществами сплавов по сравнению с медью были их лучшие литейные свойства, значительно выше твердость и прочность, более сильное упрочнение при холодной деформации. Наиболее распространенными легирующими элементами в меди являются цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, никель, которые существенно повышают ее прочностные свойства. На рис. 81 показано влияние некоторых легирующих элементов на предел прочности меди (в, МПа. Легирующие элементы, повышая прочность, практически не снижают, а некоторые из них (алюминий, цинк, олово) даже повышают пластичность. Медные сплавы, как и сплавы на основе алюминия, подразделяются на деформируемые и литейные, термически неупрочняемые. Однако наиболее часто медные сплавы делят на латуни и бронзы (рис. 82). Латунями называются сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является цинк. Бронзы – все сплавы меди (кроме латуней) с легирующими элементами. Обозначение медных сплавов. Медные сплавы маркируются по химическому составу. Для этого используются буквы (табл. 13), обозначающие легирующие элементы и числа, показывающие количество элементов в массовых процентах (мас. %).

160 Двойные латуни (не содержащие кроме меди и цинка других элементов) обозначаются буквой Л, за которой ставится число, показывающее среднее содержание меди. Например, латунь Л содержит 63 % меди и
37 % (остальное) цинка. В специальных латунях (многокомпонентных) после буквы Л ставятся символы легирующих элементов, а затем числа соответствующие содержанию меди и каждого элемента. Например,
ЛК 80-3 содержит 80 % меди, 3 % кремния и 17 % (остальное) цинк. В марках литейных латуней за буквой Л указывается содержание цинка, а количество легирующего элемента проставляется непосредственно за символом, его обозначающим. Например, ЛЦ 23А6Ж3Мц2 – литейная латунь, в составе которой находятся 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца и 66 % меди (остальное. Рис. 82. Классификация медных сплавов Таблица 13 Обозначения легирующих элементов медных сплавов Легирующий элемент Обозначение элемента Легирующий элемент Обозначение элемента Алюминий А Олово О Бериллий Б Свинец С Железо Ж Серебро
Ср Кремний К Сурьма Су Магний Мг Фосфор Ф Марганец
Мц Цинк Ц Мышьяк
Мш Цирконий
Цр Никель Н Хром Х

161 Бронзы маркируются буквами Бр, за которыми располагаются буквы легирующих элементов и далее их среднее количество в процентах. Например, бронза Бр ОЦС 4-4-2,5 содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца и 89,5 % (остальное) меди. В литейных бронзах содержание легирующих элементов проставляется сразу за символом, обозначающим этот элемент. Например, Бр О3Ц12С5 – литейная бронза, содержащая
3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца и 80 % меди. В некоторых источниках для обозначения литейных латуней и бронз, предназначенных для фасонного литья, к марке добавляется буква Л. Например, ЛАЖ60-1-1Л, ЛМц58-2Л, Бр АЖН Ли др.
7
.3.2. Латуни Латуни из сплавов на основе меди наиболее широко используются в технических устройствах. Медь с цинком образует твердый раствор с предельной концентрацией 39 % ( -фаза. При увеличении содержания цинка в структуре образуется -фаза, представляющая собой электронное соединение CuZn. В соответствии с изменением структуры меняются и механические свойства латуней (рис. 83). В -латунях увеличение содержания цинка ведет к повышению прочности и пластичности. При появлении -фазы пластичность резко уменьшается, хотя прочность продолжает увеличиваться. При переходе структуры только в -фазу происходит и резкое снижение прочности. При температуре 454…468 С наступает упорядочение -фазы ( фаза, которое сопровождается существенным повышением твердости и хрупкости. Практическое применение находят латуни с содержанием цинка не более 45…47 %. Следовательно, по структуре практически используемые латуни делятся на две основных группы
- латуни с содержанием цинка дои+ латуни с содержанием цинка 39…45 %. В табл. 14 приведен химический состав и механические свойства некоторых деформируемых латуней после отжига. Латуни со структурой -фазы пластичны, имеют хорошую технологичность, легко обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях.
10
0
20
30
100
200
300
400
в
,
МПа
40
Zn,%
500
10
20
30
40
, %
50
в
Рис. 83. Влияние цинка на механические свойства латуней

162 Стабильная при высоких температурах -фаза очень пластична, но при температурах ниже 468 С, когда появляется фаза, очень хрупка. Поэтому латуни с содержанием цинка около 50 % и более в промышленности практически не применяются. Деформация латуней в холодном состоянии существенно повышает их прочность, но одновременно резко снижает пластичность. Наклеп нагартованного сплава снимается отжигом при температуре выше
400 С. Таблица 14 Химический состав и механические свойства деформируемых латуней (ГОСТ 15527-70) Марка латуни Содержание элементов, % Механические свойства
Cu Прочие в, МПа
KCU,
МДж/м
2
HB
% Л 90 88
–91
–
260 45 80 1,76 53 Л 68 67
–70
–
320 55 70 1,68 55 Л 63 62
–65
–
330 50 66 1,37 56 Л 60 59
–62
–
380 25 62 0,78 77
ЛЖ Мц 59-1-1 57
–60 0,1
–0,4 Al
0,6
–1,2 Fe
0,5
–0,8 Mn
0,3
–0,7 Sn
450 50 58 0,18 88
ЛМц 58-2 57
–60 1
–2 Mn
400 40 52 1,12 85
ЛК 80-3 57
–60 2,5
–4 Si
380 58 55 0,40 100 Отрицательным свойством латуней является их самопроизвольное растрескивание во влажной среде. Для устранения такого недостатка деформированные латуни достаточно отжечь при температуре 270…300 С. Для повышения свойств латуни дополнительно легируются алюминием, марганцем, железом, никелем, оловом, свинцом, кремнием и другими элементами, которые вводятся в небольших количествах. Комплексное легирование специальных латуней дает возможность увеличить механические свойства, коррозионную и кавитационную стойкость. При этом сохраняется хорошая обрабатываемость давлением. Временное сопротивление разрыву латуней наиболее эффективно повышают алюминий, олово и марганец. Эти же элементы повышают и коррозионную стойкость латуней. Железо в меди практически нерастворимо ив латунях находится в свободном состоянии в виде частиц, которые увеличивают число центров кристаллизации, а также тормозят рост

163 зерен, чем способствуют их измельчению. Никель уменьшает склонность латуней к коррозионному растрескиванию. Основной вид термической обработки латуней – отжиг, который проводится для смягчения сплавов перед обработкой давлением, получения в заготовках необходимых свойства также для устранения склонности к сезонному растрескиванию. В промышленных условиях отжиг осуществляется при температуре 600…700 С. Кроме деформируемых широкое использование находят литейные латуни. Некоторые из них приведены в табл. 15. Таблица 15 Механические свойства литейных латуней (ГОСТ 17711-93) Марка латуни в, МПа
, %
НВ
ЛЦ С
215 12…20 70…80
ЛЦ 40Мц3Ж
390…490 10…18 90…100
ЛЦ 38Мц2С2 240…340 10…15 80…85
ЛЦ А 290…390 12…15 80…90
ЛЦ К 290…340 12…17 100…110
ЛЦ 14К3С3 245…290 7…15 90…100 Эта группа имеет ряд существенных недостатков при плавке теряется большое количество цинка из-за его летучести при кристаллизации образуются крупные усадочные раковины латуни с большим количеством -фазы склонны к сезонному растрескиванию, что требует последующего отжига отливок и др. Однако, литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью мало склонны к ликвационным явлениями газонасыщению; обладают высокими механическими свойствами, в том числе и антифрикционными. В литейных латунях допускается больше примесей, чем в деформируемых, так как при фасонном литье нет необходимости обеспечивать высокую деформируемость.
7
.3.3. Бронзы Бронзами называются сплавы соловом, алюминием, кремнием, свинцом, другими компонентами ив соответствии с основным легирующим элементом относятся к группе оловянных, алюминиевых, бериллиевых и др. Оловянные бронзы Структура оловянных литых бронз, содержащих менее 8 % олова представляет собой -раствор переменной концентрации. Из-за существенной дендритной ликвации зерна в центре обеднены, а на стыке дендритных ветвей обогащены оловом. При содержании олова в бронзах более 8 % структура состоит из первичных кристаллитов -раствора переменной концентрации и эвтектоида + , где – промежуточная фаза, относящаяся к соединениям электронного типа (Cu
31
Sn
8
). На рис. 84 показано влияние олова на механические свойства литых бронз. При содержании олова более 8 % начинает резко снижаться пластичность по причине появления в структуре -фазы. Временное сопротивление разрыву в
повышается с увеличением содержания олова до 24
%, а затем резко снижается. Из-за появления слишком большого количества -фазы сплав становится хрупким. Оловянные бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью, в них не образуются концентрированные усадочные раковины, обладают незначительной линейной усадкой. Отмеченные свойства дают возможность получения отливок сложной конфигурации с резкими переходами от толстых сечений к тонким. Включения твердого эвтектоида обеспечивают высокую износостойкость, что выводит их в группу отличных антифрикционных материалов. Для повышения пластичности бронзы необходимо гомогенизировать при температуре 700…750 С с последующим быстрым охлаждением. По коррозионной стойкости в морской воде оловянные бронзы превосходят медь и медноцинковые сплавы. В оловянные бронзы часто вводится в небольших количествах фосфор с целью раскисления меди, повышения временного сопротивления разрыву и упругости, улучшения жидкотекучести, увеличения сопротивления износу. Часто оловянные бронзы легируют цинком в значительных количествах, ноне превышая его предела растворимости в -фазе. В таких количествах цинк повышает жидкотекучесть сплавов, способствует получению более плотного литья, улучшает прочностные свойства. Кроме того, он является неплохим раскислителем. Никель, вводимый в состав бронз, повышает их коррозионную стойкость, улучшает пластичность и деформируемость, увеличивает плотность, уменьшает ликвации, способствует возрастанию прочности при комнатной и повышенной температурах.
10
0
20
30
100
200
300
400
в
,
МПа
40
Sn, %
10
20
30
40
, %
в
Рис. 84. Зависимость механических свойств литых оловянных бронз от содержания в них олова

165 Деформируемые бронзы по сравнению с литейными обладают более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением к усталости (табл. 16). Из цветных сплавов оловянные деформируемые бронзы уступают по усталостным характеристикам лишь бериллиевым бронзам. Основными легирующими элементами в деформируемых бронзах являются олово, фосфор, цинк и свинец, причем олова в них меньше, чем в литейных бронзах. Алюминиевые бронзы получили широкое применение лишь вначале прошлого века. В настоящее время они постепенно вытесняют оловянные бронзы, так как не уступают последним по многим параметрам, а по ряду свойств даже превосходят их. По распространенности в промышленности в том числе и на железнодорожном транспорте) алюминиевые бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. Таблица 16 Химический состав и механические свойства оловянных бронз Марка бронзы Состав, % Свойства
Sn
Pb
Zn Прочие В, МПа
, %
НВ Литейные бронзы (ГОСТ 613-79)
Бр О3Ц7С5Н1 2,5…4 3…6 6…9,5 0,5…2 Ni
210 5
60
Бр О3Ц12С5 2…3,5 3,6 8…15
–
210 5
60
Бр О4Ц4С17 3,5…5,5 14…20 2…6
–
150 6
60
Бр О5Ц5С5 4…6 4…6 4…6
–
180 4
60
Бр О10Ц2 9…11
–
1…3
–
250 5
80
Бр О10Ф1 9…11
–
–
0,4…1,1 Р
270 3…10 90 Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017-74)
Бр ОФ 6,5-0,15 6…7 Р
400 65 70
Бр ОФ 6,5-0,4 6…7 Р
400 65 80
Бр ОФ 4-0,25 3,5…4 Р
340 50 63
Бр ОЦ 4-3 3,5…4
–
2,7…3,3
–
350 40 60
Бр ОЦС 4-4-2,5 3…5 1,5…3,5 3…5
–
350 40 60 В меди растворяется значительное количество алюминия 7,4 % при t=1035 Си около 9 % при комнатной. В сплавах с содержанием алюминия более 7,4 % при температуре ниже 1035 Сиз -фазы выделяется
- фаза, которая основана на соединении Cu
3
Al электронного типа. При t=565 С -фаза претерпевает эвтектоидный распад
+
2

166 С увеличением содержания алюминия прочностные свойства бронз повышаются (рис. 85). Сплавы, имеющие -структуру, хорошо обрабатываются давлением при высоких и низких температурах. Однако прочность -фазы низкая. С другой стороны
2
- фаза обладает очень высокой твердостью, но ничтожной пластичностью. Поэтому при появлении в структуре
2
- фазы прочность резко возрастает, а пластичность начинает уменьшаться. Наиболее рациональными механическими свойствами обладают бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Такие сплавы наряду с повышенной прочностью сохраняют высокую пластичность. Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными обладают целым рядом преимуществ менее склонны к дендритной ликвации, имеют лучшую жидкотекучесть и большую плотность отливок, более высоко- прочны и жаростойки, устойчивы против коррозии и кавитации, меньше склонны к хладноломкости, не дают искр при ударах. В тоже время эти сплавы при кристаллизации дают значительную усадку и формируют крупные столбчатые кристаллы, сильно окисляются в расплавленном состоянии, вспениваются при заливке в формы, затруднена пайка твердыми и мягкими припоями. Для устранения перечисленных недостатков алюминиевые бронзы дополнительно легируются железом, марганцем, никелем, свинцом. Железо повышает прочностные свойства при некотором снижении пластичности, замедляет эвтектоидный распад -фазы, тем самым препятствуя развитию хрупкости. Даже в случаях, когда распад и происходит, вредные последствия проявляются в меньшей степени, так как железо сильно измельчает
2
- кристаллы и зерна -фазы. Сплавы, легированные алюминием и железом, наиболее пластичны после нормализации при t = 600…700 С. После закалки с температуры
950 С сплавы также обладают высокой пластичностью. После старения при t = 250…300 С -фаза распадается с образованием тон- кодисперсной смеси, что повышает твердость и прочность, но понижает пластичность. Марганец растворяется валю- миниевых бронзах в больших количествах (до 10 %). Он повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость, способность к холодной деформации.
0
5
200
400
600
800
в
,
МПа
10
Al, %
20
40
60
, %
в
Рис. 85. Зависимость свойств алюминиевых бронз от содержания в них алюминия

167 Никель улучшает механические свойства алюминиевых бронз, их коррозионную стойкость и жаропрочность. Сплавы, содержащие алюминий и никель хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства, хладностойки. Свинец, не растворяясь в меди и бронзах, выделяется в виде почти чистых включений, которые уменьшают временное сопротивление разрыву, но существенно повышают антифрикционные свойства. Такие сплавы нельзя подвергать горячей обработке давлением. В табл. 17 приведены механические свойства некоторых алюминиевых бронз. Одни из них используются только как литейные, другие – как деформируемые. Большую группу составляют бронзы, которые используются как в качестве литейных, таки в качестве деформируемых например, Бр АМц 9-2). Деформируемые и литейные бронзы одной марки различаются по содержанию примесей – в литейных сплавах их допускается большее количество. Таблица 17 Свойства алюминиевых бронз Марка бронзы в, МПа
, %
НВ, МПа
Бр А7Ж1,5С1,5 300 18 150
Бр А11Ж6Н6 600 2
250
Бр АЖ 400 10 100
Бр А10Мц2 500 12 110
Бр А 380 65 60
Бр АМц 9-2 420 25 80
Бр АЖ 9-4 550 40 110
Бр АЖМц 10-3-1,5 600 20 130
Бр АЖН 10-4-4 650 35 150 Алюминиевые бронзы подвергаются различной термической обработке. Деформируемые полуфабрикаты проходят дорекристаллизаци- онный или рекристаллизационный отжиг, который повышает их упругие свойства. Однако большинство алюминиевых бронз относится к термически неупрочняемым сплавам. Бериллиевые бронзы содержат в среднем 2…2,5 % бериллия и отличаются хорошим сочетанием высоких прочностных и упругих характеристик, электро- и теплопроводности, сопротивления усталости и коррозионной стойкости. Бериллий с медью имеет переменную растворимость (от 2,75 % при t = 870 С допри С, что дает возможность упрочняющей термической обработки бериллиевых бронз. На рис. 86 приведена зависимость свойств бериллиевых бронз от содержания в них бериллия после закалки с температуры 780 Си старения при t = 300 Св течение трех часов. Прочность бронз в термически

168 упрочненном состоянии начинает сильно возрастать при содержании бериллия. Наиболее рациональными свойствами обладают сплавы при содержании Be около 2 %. При дальнейшем увеличении бериллия прочность повышается несущественно, а пластичность резко падает. Бериллиевые бронзы являются теплостойкими сплавами, устойчиво работающими при температурах до
310…340 С. При 500 Сони имеют такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре. Бериллиевые бронзы имеют высокую теплопроводность, при ударах не образуют искр, хорошо обрабатываются резанием, свариваются электроконтактной сваркой. Для повышения свойств бериллиевые бронзы дополнительно легируются никелем и титаном. Никель с бериллием образует малорастворимый интерметаллид NiBe и уменьшает растворимость бериллия в меди. Он замедляет фазовые превращения в бронзах и существенно облегчает их термическую обработку. Никель задерживает рекристаллизационные процессы в сплавах, способствует получению более мелкого зерна, повышает жаропрочность. Титан образует соединение и Счем обеспечивается дополнительное упрочнение бронз. Бериллиевые бронзы имеют высокую сопротивляемость малым пластическим деформациям из-за сильного торможения дислокаций дисперсными частицами. Это приводит к увеличению релаксационной стойкости сплавов. Бериллиевые бронзы, дополнительно легированные никелем и титаном обладают высоким временным сопротивлением разрыву, пределами текучести и усталости, пружинящими свойствами, большей твердостью, отличной износостойкостью. Такие сплавы не склонны к хладноломкости и могут работать в интервале температур от -200 до 250 С. Отмеченные свойства обусловили использование бериллиевых бронз для изготовления изделий ответственного назначения, где требуется необходимое сочетание ряда уникальных свойств. Широкому применению бериллиевых бронз препятствуют дефицитность и высокая стоимость бериллия, а также его токсичность.
1,0
0
2,0
800
200
600
400
в
,
МПа
Be,%
20
40
60
80
, %
в
1000
100
Рис. 86. Влияние бериллия на механические свойства бронз

169 Кремнистые бронзы Кремний имеет значительную растворимость в меди от 5,3 % при температуре 842 С допри С. Так как
- фаза сильно уменьшает ковкость сплавов, кремния в бронзы вводится не более 3 %. При повышении содержания кремния до 3,5 % существенно повышаются временное сопротивление разрыву и относительное удлинение (рис. 87). Высокая пластичность бронз сохраняется до сравнительно низких температур. Однако простые кремнистые бронзы двойные) практического использования не находят. Они дополнительно легируются никелем и марганцем для повышения механических антикоррозионных свойств. При введении в сплавы, содержащие кремния до 3 %, небольшого количества марганца (менее 1,5 %) упрочнение происходит за счет его растворения. При повышении количества марганца появляется фаза Mn
2
Si. При легировании сплавов никелем образуется соединение Ni
2
Si
, растворимость которого резко уменьшается с понижением температуры. Кремнистые бронзы обладают высокими антифрикционными и пружинящими свойствами, значительной коррозионной стойкостью, отлично обрабатываются горячими холодным давлением, хорошо свариваются с бронзой и сталью, легко паяются мягкими и твердыми припоями, не дают искр при ударе, имеют высокую жидкотекучесть. Существенным недостатком кремнистых бронз является большая склонность к поглощению газов. Марганцевые бронзы Марганец в твердой меди растворяется в больших количествах, ас -фазой имеет неограниченную растворимость. Бронзы с содержанием марганца до 22 % имеют однофазную структуру во всем интервале температур, поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Марганец существенно повышает прочность меди при сохранении высокой пластичности, коррозионную стойкость, жаропрочность. На основе системы медь–марганец разработаны сплавы высокого демпфирования с большим внутренним трением. Такие бронзы обладают способностью гасить колебания, возникающие в процессе эксплуатации машин и механизмов, что способствует уменьшению вибраций, шума, снижению опасности разрушений изделий из-за резонансных явлений.
0
2
200
400
600
800
в
,
МПа
4
Si, %
20
40
60
, %
в
80
6
Рис. 87. Влияние кремния на механические свойства литых кремнистых бронз

170 Сплавы высокого демпфирования содержат марганца от 60 до 85 %. Наилучшие демпфирующие свойства у них проявляются после закалки из
- области и старения при температуре 450 С. При этом одновременно повышается прочность и сохраняется достаточно высокая пластичность. Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, поэтому используются в основном для изготовления подшипников скольжения. О свойствах таких сплавов будет изложено в разделе, посвященном антифрикционным материалам.
7.3.4. Медно-никелевые сплавы К медно-никелевым сплавам относятся сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель, что значительно повышает ее механические свойства, коррозионную стойкость, электрические характеристики. Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две группы конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся коррозионно-стойкие и высокопрочные сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль. В качестве дополнительных легирующих элементов в них добавляются Mn, Zn, Fe, Co, Al, Pb, Cr,
Ce, Mg, Li. В табл. 18 приведен состав и механические свойства конструкционных медно-никелевых сплавов. Таблица 18 Химический состав конструкционных и механические свойства медно-никелевых сплавов (ГОСТ 492-73) Марка сплава Содержание, % (остальные Cu) в
т
HB
Fe
Mn
Zn
Al Другие МПа
%
МНЖМц
30-1-1 0,5
–1 0,5–1
–
–
29-33
(Ni+Co)
343
–441
–
25
–40 50 59
–69
МНЖ
5-1 1
–1,4 0,3–0,8
–
–
5-6,5
(Ni+Co)
390
–490
–
5
–10 МН 19
–
–
–
–
18-20
(Ni+Co)
490
–784 392–588 3–5
–
118
МНЦ
15-20
–
–
18
–22
–
13,5-16,5
(Ni+Co)
588
–784
–
2
–4 32 157
–172
МНА
13-3
–
–
–
2,3
–3 12-15
(Ni+Co)
882
–931
–
2
–5
–
255
МНА
6-1,5
–
–
–
1,2
–1,8 5,5-6,5
(Ni+Co)
637
–735
–
4
–7 50 206 МН 95-5
–
–
–
–
4,4-5
(Ni+Co)
441
–490 343–392 2–6
–
–

171
Мельхиоры (МНЖМц 30-1-1, МН 19) имеют высокую коррозионную стойкость в различных средах. Добавки железа и марганца увеличивают стойкость медно-никелевых сплавов против ударной коррозии. Мельхи- оры хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элементами являются никель и цинк, называются нейзильберами (МНЦ 15-20,
МНЦС 16-29-1,8). Они представляют собой твердые растворы на основе меди. Легирование цинком приводит к повышению механических свойств, приданию им красивого серебристого цвета и удешевлению.
Нейзильберы отличаются высокой коррозионной стойкостью, обрабатываются в горячем и холодном состояниях (за исключением свинцового нейзильбера. Для улучшения обрабатываемости резанием в них вводится небольшое количество свинца. Сплавы на основе Cu–Ni–Al называются куниалями (МНА 13-3,
МНА 6-1,5). Они отличаются высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, устойчивостью при низких температурах, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии. К конструкционным медно-никелевым сплавам относятся сплавы МН
95-
5, МНЖ 5-1, имеющие высокие механические свойства и коррозионную стойкость. Они не склонны к коррозионному растрескиванию.
7.3.5. Применение меди и ее сплавов Области применения меди определяют ее высокая электро- и теплопроводность, пластичность и коррозионная стойкость. Медь используется для изготовления химической аппаратуры (теплообменники, холодильники, детали плазмотронов и т. д, проводов высоковольтных линий электропередач, троллейных проводов, коллекторных шин электромашин, печей для дуговой плавки активных металлов, водоохлаждае- мых изложниц, кристаллизаторов и т.п. Более 30 % меди применяется в виде медных сплавов – латуней и бронз. Высокотехнологичные латуни используются для получения изделий, требующих глубокой вытяжки, таких как радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги, трубы, ленты. Многокомпонентные латуни, обладающие достаточно высокой прочностью и коррозионной стойкостью, применяются в судостроении, электромашиностроении, теплотехнике. Из бронз наиболее широкое распространение имеют алюминиевые бронзы. Они используются в морском судостроении, общем машиностроении, в локомотиво- и вагоностроении, авто- и авиастроении для изготовления ответственных деталей шестерен, втулок, седел клапанов, гаек нажимных винтов, пружин и пружинящих изделий.

172 Оловянные бронзы с фосфором, имеющие высокие антифрикционные и антикоррозионные свойства, находят применение в машиностроении для изготовления подпятников тяжелых кранов, гаек ходовых винтов, шестерен, червячных колеси других деталей, работающих при большом трении. Некоторые сплавы используются для деталей водяной, паровой и газовой арматуры. Группа бронз, легированных фосфором, с высокими упругими свойствами идет для изготовления круглых и плоских пружин. Бериллиевая бронза используется для наиболее ответственных изделий плоских пружин, мембран, деталей точного приборостроения, пружинящих элементов электронных приборов, электродов сварочных машин. Поскольку бериллиевые бронзы не образуют искр при ударах, они применяются для изготовления инструмента для работы во взрывоопасных зонах.