Деформівні алюмінієві сплави

Сплави, що деформуються, поділяються на сплави, які зміцнюються термічною обробкою, і на ті, що не зміцнюються термічною обробкою.

До деформівних алюмінієвих сплавів, що не зміцнюються термічною обробкою, належать сплави на основі алюмінію і марганцю і на основі алюмінію і магнію. Вони мають високу технологічність і корозійну стійкість. Марганець підвищує корозійну стійкість сплаву, а магній зменшує густину сплаву, підвищує його міцність, водночас знижуючи пластичність.

Сплави типу Al-Mn позначають літерамиАМц, а сплави типу Al-Mn – літерамиАМг. Про середню масову частку (у %) магнію в сплаві вказують цифри, які стоять після літер Мг: АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 АМг5, АМг6.

Зміцнювальна термічна обробка сплавів АМц і АМг є малоефективною. Значно більший ефект дає деформування у холодному стані. Залежно від рівня зміцнення розрізняють напівнагартована (П) і нагартовані (Н) сплави.

Деформівні алюмінієві сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, застосовують для виготовлення мало- і середньонавантажених виробів, зокрема резервуарів для пального, трубопроводи, рамні конструкції.

До деформівних алюмінієвих сплавів, що зміцнюються термічною обробкою, належать дуралюміни, авіалі, а також високоміцні, кувальні і жароміцні сплави. Вміст легуючих елементів у цих сплавах перевищує їх граничну розчинність в алюмінії при кімнатній температурі, але не перевищує граничну розчинність при температурі евтектичного перетворення.

Широке застосування у промисловості мають дуралюміни, які добре поєднують міцність і пластичність. Здатність цих сплавів, основою яких є алюміній і мідь, до зміцнення термічною обробкою пов’язано з тим, що мідь з алюмінієм, згідно з діаграмою стану Al-Cu (рис.9.1), утворює твердий розчин зі змінною граничною розчинністю міді: при t=548^оС – 5,6%, а при кімнатній температурі – 0,1% Cu. При охолодженні сплавів системи Al-Cu, що містять понад 0,1 до 5,6%Cu і які досягли однофазної області при нагріванні, з твердого розчину виділяється q-фаза (CuAl₂) з високою твердістю (HV531), а в сплавах, додатково легованих магнієм, утворюється ще S-фаза (CuMgAl₂) з твердістю НV564. При гартуванні сплавів системи Al-Cu, що містять 4...5% Cu, з нагріванням до 500^оС утворюється пересичений твердий розчин Cu в Al, який є нестійким.

Тому в них при витримці у звичайних умовах або при нагріванні відбуваються зміни, що пов’язані з виділенням із перенасиченого розчину надлишкової міді у вигляді q-фази і переходу розчину в рівноважний стан. Цей процес називають старінням. Якщо цей процес відбувається при звичайних умовах, то старіння називають природним, а якщо при нагріванні – штучним. Тривалість природного старіння дуралюміну становить 4...5 діб.

При старінні відбувається процес зміцнення сплавів системи Al-Cu, що є наслідком утворення зон Гіньє-Престона (ГП) - при природному старінні, або метастабільної q¢ -фази - при штучному старінні.

Зони ГП – це субмікроскопічні області з підвищеним вмістом міді, які мають пластинчасту форму завтовшки 0,5...1 нм і діаметром 4...10 нм, а q¢ -фаза за складом відповідає стабільній фазі CuAl₂ (q), але має кристалічну гратку, яка відрізняється як від ґратки Al, так і від гратки CuAl₂.

Рис. 9.1. Діаграма стану сплавів Al-Cu

 

Дуралюмінимістять 3,8...5,2 % Cu, 0,4...1,8 % Mg, 0,3...0,9 % Mn. Марки цих сплавів позначають літерою Д і числом, яке вказує номер сплаву, наприклад, Д1, Д6, Д16 тощо. На практиці для підвищення міцності дуралюміни гартують з 500 ^оС у воді та піддають штучному старінню при 100...200 ^оС. Безпосередньо після гартування сплав має σ_в =250 МПа, а після старіння – σ_в =410...520 МПа. Зміцнюючою фазою крім q -фази є S -фаза (CuMgAl₂), твердість якої досягає НV564.

Головними легуючими елементами авіалів є магній і кремній, а основною зміцнювальною фазою - β -фаза (Mg₂Si). Авіалі марок АВ, АД31 і АД33 мають високу пластичність, зварюваність і стійкість до корозії, але дещо поступаються за міцністю дуралюмінам. З авіалів виготовляють деталі літаків, двигунів і напівфабрикатів (листи, труби тощо).

Кувальні алюмінієві сплави характеризуються доброю пластичністю і задовільною міцністю. Такі сплави позначаються літерами АК і числом, що позначає номер сплаву, наприклад, АК1, АК5, АК8 тощо. За хімічним складом кувальні сплави близькі до дуралюмінів, хоча вміст кремнію дещо вищий. Зміцнювальними фазами є Mg₂Si, CuAl₂, і ω -фаза. Г арячу обробку тиском (куванням, штампуванням тощо) виконують в інтервалі температур 420...470^оС. Сплав марки АК6 використовують для середньонавантажених деталей, а АК8 – для високонавантажених деталей.

Високоміцні сплави найміцніші з сплавів алюмінію, хоча за пластичністю поступаються дуралюмінам. Їх маркують літерою В (високоміцні) і умовним номером. Розчинність в алюмінії легуючих елементів (цинку, магнію і міді) зменшується, а під час охолодження вони утворюють інтерметалеві сполуки: фазу Т (Al₂Mg₃Zn₃), фазу М (MgZn₂), фазу S (Al₂CuMg). Наявність у структурі цих фаз підвищує міцність сплавів. Водночас цинк і магній знижують пластичність і стійкість до корозії.

Сплави В95 і В96 використовують в авіабудуванні для виготовлення високонавантажених деталей, які працюють при температурах до 100 ^оС.

Жароміцні сплави (АК4-1, АK-4) зберігають свої механічні властивості до температури 300^оС, тому їх застосовують для виготовлення деталей двигунів і обшивок надзвукових літаків. Порівняно з іншими сплавами алюмінію жароміцні сплави містять більшу кількість легуючих елементів з додаванням заліза, нікелю і титану. Залізо й нікель утворюють фазу Al₉FeNi, яка підвищує жароміцність.

Ливарні алюмінієві сплави

Згідно ДСТУ 2839-94 всі алюмінієвіливарні сплави поділяють на п’ять груп.

Сплави першої групи, які містять 6...13 % кремнію, називають силумінами. Більшість силумінів – це доевтектичні сплави (рис. 9.2), структура яких складається з a -твердого розчину Si в Al і евтектики, що містить 11,7%Si. Для подрібнення структури і, відповідно, для підвищення механічних властивостей силуміни модифікують натрієм (0 ,05...0,08%Na) обробкою рідкого сплаву сумішшю солей NaF і NaCl. Ці сплави мають добрі ливарні властивості.

Найпоширенішими марками силумінів є АК12, АК9 і АК7. літерою А позначають, що сплав алюмінієвий, літерою К – кремній, число вказує середню масову частку кремнію у %.

Силуміни широко використовують для виготовлення литих деталей приладів, корпусів турбін, насосів, блоків циліндрів тощо.

 

Рис. 9.2. Діаграма стану сплавів Al-Si

 

Сплави другої групи – мідні силуміни, крім алюмінію містять 4...22 % кремнію, 1...8 % міді, а також 0,2...0,3 % магнію, 0,2...0,8 % марганцю і 0,1...0,3 % титану. Порівняно з силумінами вони мають дещо гірші ливарні властивості, але кращі механічні. Маркують АК5М, АК8М3, АК12М2МгН тощо. Числа після літер вказують середній масовий вміст (у %), відповідно кремнію (К), міді (М), магнію (Мг) і нікелю (Н).

З мідних силумінів виготовляють корпуси компресорів, головки та блоки циліндрів двигунів.

У сплавах третьої групи основними компонентами є алюміній і мідь. З-поміж ливарних сплавів вони мають найвищу міцність (σ_в =300...500 МПа) і пластичність (δ=4...12 %). Ці сплави легко обробляються різанням, добре зварюються, але мають невисоку стійкість до корозії і мають погіршеніливарні властивості. Для їх покращення сплав додатково легують титаном і марганцем. Одним із представників цієї групи є сплав АМ5.

Сплави четвертої групи – магналії – належать до системи алюміній – магній. Вони легко обробляються різанням, стійкі до корозії, достатньо міцні і пластичні, але ливарні властивості невисокі. Представниками сплавів цієй групи є такі марки: АМг7 (6...8 % Mg), АМг10 (9,5...10,5 % Mg), АМг5К (4,5...5,5 % Mg, 0,8...1,3 % Si, 0,1...0,4 % Mn). З магналіїв виготовляють деталі суден і літаків, які мають бути стійкими до вологи.

У сплавах п’ятої групи основними компонентами є алюміній і кремній (К) або алюміній і цинк (Ц). Марки цих сплавів АК9Ц6, АК7Ц9, АЦ4Мг.

Магній та його сплави

Магній – найлегший конструкційний метал з атомним номером 12, атомною масою 24,32, ГЩУ–граткою, густиною 1700 кг/м³, температурою плавлення t_пл=650^оС, механічними властивостями: σ_в=180 МПа, d=18%. Магній хімічно дуже активний метал. У чистому вигляді як конструкційний матеріал його не застосовують. В основному застосовують сплави магнію з Al, Zn, Mn, Zr. Магнієві сплави за технологічною ознакою поділяють на дві групи: ливарні та сплави, що деформуються. Ливарні сплави маркуються літерами МЛ, а сплави, що деформуються - МА. Після цих літер ставлять число, яке вказує номер сплаву, наприклад, МА1, МА5, МА9, МЛ3, МЛ5 та ін.

Сплави магнію можна зміцнювати гартуванням і штучним старінням. Гартування ливарного сплаву здійснюється з нагріванням до температури близько 400^оС, а старіння – при 200..300^оС.

Магнієві сплави погано деформуються при нормальній температурі. Для підвищення пластичності їх необхідно нагрівати до 360..520^оС.

З магнієвих сплавів, що деформуються, виготовляють деталі автомобілів, літаків, ткацьких верстатів тощо. З ливарних сплавів виготовляють деталі двигунів, різних приладів, швейних машин, кліше тощо. Магнієві сплави мають високу питому міцність, тому їх широко використовують в літако- та ракетобудуванні.

Титан і його сплави

Титан – сріблясто-білий метал з атомним номером 22, атомною масою 47,9, густиною g =4505 кг/м³, температурою плавлення t_пл =1672^оС. Розрізняють дві поліморфні модифікації титану: низькотемпературну Ті_a з гексагональною щільноупакованою (параметри а =0,2951 нм, с =0,4684 нм) і високотемпературну Ті_b - з об’ємноцентрованою кубічною граткою (а =0,3282 нм при температурі 900 ^оС). Температура поліморфного перетворення титану становить 882,5 ^оС.

Чистий титан має такі механічні характеристики: σ_в =250 МПа, d =60%, y =80%. Зі зниженням чистоти міцність титану підвищується, а пластичність і в’язкість знижуються.

Титан – хімічно активний метал, але на повітрі швидко покривається захисною плівкою оксидів, через що набуває високої стійкості на повітрі, у воді, в органічних і неорганічних кислотах, тобто має високу стійкість до корозії. Крім того, титан і сплави на його основі характеризуються високою питомою міцністю. Недоліками титану є його активна взаємодія з азотом, киснем та воднем, схильність до водневої крихкості. Азот, вуглець, кисень і водень, зміцнюючи титан, знижують його пластичність, опір корозії, зварюваність.

Титан погано оброблюється різанням і добре – тиском, добре з’єднується дуговим і контактним електричним зварюванням.

Сплави на основі титану

Сплави титану крім основного металу й домішок можуть містити легуючі елементи: алюміній, молібден, ванадій, хром, марганець, залізо, тантал, ніобій, цирконій, олово, мідь, вольфрам, кремній, нікель, свинець, берилій, кобальт, гафній, торій та інші. Вони утворюють з титаном тверді розчини заміщення або інтерметали типу Ti_xMe_y, а домішки (водень, азот, вуглець, кисень) – тверді розчини проникнення або хімічні сполуки (гідриди, нітриди, карбіди й оксиди).

Найістотніше підвищують міцність (при одночасному зниженні пластичності) титанових сплавів залізо, марганець, хром і молібден.

Легуючі елементи за їх впливом на температуру поліморфного перетворення титану поділяють на три групи:

- a -стабілізатори;

- b -стабілізатори;

- нейтральні.

До першої групи належать алюміній, вуглець, кисень, азот. Кожен з них підвищує температуру перетворення Ті_a «Ті_b (рис.9.3, а), збільшує стабільність a -фази і таким чином розширює область існування твердих розчинів на базі Ті_a. Вуглець, азот і кисень роблять титанові сплави крихкими, тому їхній масовий вміст обмежують сотими і тисячними частками відсотка.

До другої групи належать b -стабілізатори – легуючіелементи, які знижують температуру поліморфного перетворення і звужують a -область. Елементи другої групи поділяють на b -ізоморфні (ванадій, молібден, ніобій, тантал) і b -евтектоїдні стабілізатори (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, кобальт).

b -ізоморфні стабілізатори, як і b- титан, мають об’ємноцентровану кубічну гратку і здатні необмежено розчинятися у ньому. Коли концентрація ізоморфних стабілізаторів висока, b -твердий розчин у рівноважному стані зберігається аж до кімнатної температури (рис.9.3, б).

У сплавах титану з b -евтектоїдними стабілізаторами на лінії евтектоїдного перетворення при достатньо низькій температурі відбувається евтектоїдний розпад β -фази:

β = α + γ, (9.1)

де γ – проміжна фаза Ti_xMe_y.

а б в

Рис.9.3. Діаграми стану сплавів «Ті – легуючий елемент»:

а – Ті – α-стабілізатори; б – Ті – β-ізоморфні стабілізатори; в – Ті – β-евтектоїдні стабілізатори

Утворення евтектоїду (α+γ) істотно підвищує крихкість, що обмежує промислове використання сплавів з такою структурою. У рівноважному стані титанові сплави, леговані β -стабілізаторами, при кімнатній температурі можуть мати однофазну структуру α -твердого розчину низької концентрації (рис.9.3, б, в), двофазну (α+β)-структуру при збільшенні концентрації β -стабілізаторів (рис.9.3, б) і однофазну β -структуру при високій концентрації β -ізоморфних стабілізаторів (рис.9.3, б). У промисловості найчастіше застосовують сплави зі структуроами α і (α+β).

Легуючі елементи третьої групи (олово, гафній, цирконій, тантал)- нейтральні зміцнювачі, які майже не впливають на температуру поліморфного перетворення титану.

Класифікація титанових сплавів. За рівноважною структурою (після відпалу) титанові сплави поділяють на три основні групи: a -сплави, (a+b)-сплави (двофазні) та b -сплави. Сплави першої групи (a -сплави) малопластичні, а третьої групи (b -сплави) найбільш пластичні, але менш міцні. Найбільш високий комплекс властивостей мають двофазні (a+b)-сплави. Вони більш міцні, ніж однофазні, добре куються і штампуються, піддаються термічній обробці. Тому, як конструкційний матеріал, переважно застосовуються двофазні (a+b)-сплави.

За технологічною ознакою титанові сплави поділяють на ливарні, ті, що деформуються та порошкові, а за фізико-хімічними і механічними властивостями – на високоміцні, звичайної міцності, високопластичні, жароміцні, корозостійкі.

Титанові сплави, що деформуються. Більшість титанових сплавів легують Al, який підвищує їх жорсткість, міцність, жароміцність і жаростійкість, а також знижує густину.

a-титанові сплави термічною обробкою не зміцнюються. Їх зміцнення досягається легуванням твердого розчину і пластичним деформуванням. До цієї групи належить сплав ВТ5-1, який має добру зварюваність, жароміцність, кислотостійкість, пластичність при низьких температурах, термічну стабільність до 450^оС. До складу цього сплаву входять ~ 5% Al і ~ 2,5% Sn. Олово додають у сплав для поліпшення його технологічних і механічних властивостей. Механічні властивості даного сплаву: σ_в= 800...1000 МПа, d= 10...15%. Зі сплаву ВТ5-1 виготовляють листи, поковки, труби, дріт, профілі. (a+b)-сплави зміцнюються термічною обробкою, що складається із гартування і старіння. Їх зварюваність гірша, ніж a-сплавів. Типовим представником цієї групи є сплав ВТ6, який характеризується оптимальним поєднанням технологічних і механічних властивостей. Хімічний склад сплаву ВТ6: ~ 6% Al, ~ 4% V, решта Ті, механічні властивості: σ_в= 1100...1250 МПа, d= 6%.

До двофазних сплавів належить жароміцний сплав ВТ8, який призначений для довготривалої роботи при 450...500^оСпід навантаженням. Хімічний склад сплаву ВТ8: ~ 6,4% Al, ~ 3,1% Mg, ~ 3% Si, механічні властивості: σ_в= 1000...1250 МПа, d= 9...11%.

Псевдо- b -титанові сплави характеризуються високим вмістом b -стабілізаторів, високою пластичністю у загартованому стані та високою міцністю після старіння. До цієї групи належить сплав ВТ15, який має високу пластичність (d =20%) і невисоку міцність (s_в =900 МПа) у загартованому стані. Однак після старіння при 450^оС його міцність підвищується до σ_в =1500 МПа при пластичності d =6%. Зі сплаву ВТ15 виготовляють прутки, поковки, листи, штаби. Хімічний склад сплаву ВТ15: ~3% Al, ~8% Mo, ~11% Cr.

Ливарні титанові сплави. Ливарні сплави у порівнянні зі сплавами, що деформуються, мають більш низьку міцність, пластичність і витривалість, але дешевше. Їх склад аналогічний складу сплавів, що деформуються, тільки наприкінці марки ливарних сплавів ставлять літеру “Л”, наприклад, ВТ5Л, ВТ14Л.

Порошкові сплави титану. Порошкові сплави отримують методом порошкової металургії, що забезпечує зниження їх вартості приблизно на 50% і підвищення продуктивності виготовлення виробів у два рази.

Галузі застосування сплавів титану. Основними галузями використання сплавів титану є:

- літако- та ракетобудування (обшивка літаків, корпуси ракет і двигунів, диски і лопаті компресорів авіаційних двигунів);

- хімічна промисловість (компресори, клапани, вентилі);

- обладнання для обробки ядерного палива;

- суднобудування (гребні гвинти, обшивка кораблів);

- кріогенна техніка.

 

Мідь і її сплави

Мідь – метал червоного, а у зломі - рожевого кольору. Її атомний номер 29, атомна маса 63,54, температура плавлення 1083^оС, густина 8940 кг/м³. Мідь має гранецентровану кристалічну гратку з параметром а =0,3608 нм,. Характерною особливістю міді є її висока електропровідність (r= 0,0178 Ом см²/м) і теплопровідність. За цими параметрами вона поступається лише сріблу.

Мідь має високу стійкість до корозії, її легко обробляти тиском, паяти і зварювати, проте вона має невисокі ливарні властивості і погано обробляється різанням. Оскільки механічні властивості чистої міді відносно низькі (s_В= 250 МПа, твердість 45НВ, d =50%), то як конструкційний матеріал її застосовують дуже рідко, переважно – як провідниковий матеріал.

Підвищення механічних властивостей досягається утворенням різних сплавів на мідній основі – латуней і бронз. Легують мідь цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, берилієм та іншими елементами. Ці елементи підвищують твердість і міцність мідних сплавів, практично не знижуючи пластичність, а окремі з них (цинк, олово, алюміній) навіть підвищують її. Алюміній, марганець і олово поліпшують стійкість до корозії, олово, кремній і марганець у певних концентраціях підвищують антифрикційні властивості сплавів міді. Залізо сприяє подрібненню зерна, а кремній – підвищує ливарні властивості.

Легуючі елементи у сплавах міді позначають такими літерами: А - алюміній, Б – берилій, Ж – залізо, К – кремній, Мц – марганець, Н – нікель, О – олово, С – свинець, Ф – фосфор, Ц – цинк.

Латуні

Латуні – це дво- або багатокомпонентні мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. Двокомпонентні латуні системи Cu-Zn відносять до простих, абагатокомпонентні, які містять ще й інші елементи – до спеціальних.

Завдяки поєднанню добрих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найбільш поширені серед мідних сплавів.

Структура простих латуней у рівноважному стані описується діаграмою стану Cu-Zn (рис.9.3), яка складається з двох діаграм з перитектичним перетворенням. Відповідно до неї при вмісті цинку до 39 % латуні мають структуру однофазного a -твердого розчину цинку в міді. Такі латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. Максимальну пластичність мають латуні, що містять ~37 % Zn.

При вмісті Zn> 39%у структурі латуні з’являється b¢- фаза – впорядкований твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn, тобто структура латуні стає двофазною (a+b¢). Такі латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.

З появою у структурах твердої і крихкої b¢ -фази від початку до концентрації 45 % спостерігається інтенсивне збільшення міцності, а перехід до однофазного стану (фаза b¢) зумовлює раптовий спад σ_в. Таким чином, латуні з вмістом цинку понад 45 % характеризуютьсянизькою міцністю, тому практичного застосування в техніці не мають.

Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи. Так, алюміній, марганець, залізо і кремній підвищують міцність і твердість, однак при цьому знижують її пластичність. Алюміній, марганець, олово і нікель підвищують корозійну стійкість латуней.

За технологічною ознакою латуні поділяються на деформівні та ливарні.

До деформівних латуней належать однофазні (α) і двофазні (α+b ¢). Маючи дуже високу пластичність, однофазні латуні легко обробляються тиском в холодному і гарячому стані. Щоправда, холодна пластична деформація не лише істотно підвищує міцність і твердість, а й зменшує пластичність (явище наклепу). При потребі наклеп можна зняти рекристалізаційним відпалюванням при температурі 500...600 ^оС. Двофазні латуні в холодному стані менш пластичні, тому обробляти їх тиском рекомендується при температурах понад 700 ^оС.

Двокомпонентні латуні маркують літерою Л і числом, яке вказує вміст міді у сплаві, %, наприклад, Л96, Л90, Л62. У латуні марки Л90 вміст міді становить 90%, решта (10%) – Zn. Якщо латунь додатково легована іншими елементами, то після літери Л ставляться літери, що вказують легуючі елементи, а після них число, що вказує вміст міді в %, та числа, які вказують вміст легуючих елементів (у тому ж порядку). Наприклад, ЛЖМц 59-1-1 – це латунь, що містить 59 % Cu, 1 % Fe, 1 % Mn.

З латуней виготовляють трубки теплообмінників (Л70), гільзи патронів (Л68, Л70), прутки, дріт, стрічки тощо.

 

Рис. 9.3. Діаграма стану Cu-Zn

 

Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, залізо і марганець знижують рідкотекучість, а олово (при вмісті до 2,5 %) її підвищує. Ливарні латуні маркують таким чином: після літери Л ставлять літеру Ц (цинк) та число, яке вказує вміст цинку в сплаві (у відсотках), потім літери та числа, які вказують легуючі елементи та їх вміст (також у відсотках). Наприклад, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – це ливарна латунь, яка містить 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, решта – Cu.

З ливарних латуней виготовляють сантехнічну арматуру (ЛЦ40С), гайки, вінці черв’ячних коліс (ЛЦ23А6Ж3Мц2), шестерні, втулки підшипників (ЛЦ38Мц2С2) тощо.

Бронзи

Бронзи – це дво- або багатокомпонентні сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм хромом та іншими елементами, серед яких цинк не є основним.

Серед бронз найпоширенішими є багатокомпонентні, рідше – двокомпонентні. В залежності від основного легуючого елементу бронзи поділяють на олов’яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві та інші, а за технологічною ознакою – ливарні і деформівні.

Бронзи мають добрі ливарні властивості. Їх усадка при литті в три рази менша, ніж у стальних виливках. Більшість бронз мають достатньо високу корозійну стійкість. Вони широко використовуються як антифрикційні сплави.

Маркують бронзи літерами Бр, за якими слідують літери, що вказують легуючі елементи, та числа, які вказують їх процентний вміст. Позначення легуючих елементів у бронзах такі ж, як і у латунях. Наприклад, БрОЦС5-5-5 – це деформівна бронза з вмістом 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb, решта (85%) – мідь. У марках ливарних бронз числа, які вказують вміст легуючих елементів, ставлять за відповідною літерою. Наприклад, БрО5Ц5С5 – це ливарна бронза, яка містить 5% Sn, 5% Zn і 5% Pb, решта – мідь.

Олов’яні бронзи

Олов’яні бронзи – найстаріші з металевих сплавів. Структура двокомпонентних олов’яних бронз у рівноважному стані визначається діаграмою стану Cu-Sn (рис. 9.4).

При їх кристалізації утворюються такі тверді фази:

- a -твердий розчин олова в міді з ГЦК-граткою (максимальна розчинність 15,8 % при температурі 520...586 С);

- b -твердий розчин на базі електронної сполуки Cu₅Sn;

- d- електронна сполука Cu₃₁Sn ₈зі складною кубічною граткою;

- g -твердий розчин на базі хімічної сполуки Cu₃Sn;

- e -електронна сполука Cu₃Sn;

- h -хімічна сполука Cu₆Sn₅.

Олов’яні бронзи за структурою поділяють на однофазні (a) та двофазні (a+d). Звичайно d -фаза виділяється при вмісті олова більше 6 %. Вона підвищує твердість і крихкість бронз. Тому бронзи з вмістом більше 6% Sn не піддаються деформуванню і їх використовують у литому стані.

Рис. 9.4. Діаграма стану сплавів Cu-Sn

 

Характерною особливістю олов’яних бронз є дуже мала усадка, тому їх використовують для отримання дуже складних за конфігурацією виливків. Але вони мають невисоку рідкотекучість і не утворюють при кристалізації концентровану усадочну раковину, що пов’язано зі значною різницею в температурах між лініями ліквідус і солідус.

Механічні властивості олов’яних бронз суттєво залежать від вмісту олова. Пластичність їх різко починає знижуватись при 5% Sn, а міцність – при ~ 25% Sn.

У промисловості застосовують бронзи, які містять до 10...12% Sn. Завдяки їх високій хімічній стійкості з них виготовляють парову і водяну арматуру. Крім того з них виготовляють вкладиші підшипників ковзання, тобто використовують як антифрикційний матеріал.

Двокомпонентні олов’яні бронзи мають високу вартість, тому, щоб здешевити їх і поліпшити технологічні і механічні властивості, їх додатково легують цинком, свинцем, нікелем і фосфором.

Цинк дешевий, тому його вводять у великих кількостях, але не більше його розчинності в α- фазі. Нікель подрібнює зерна, збільшує міцність і пластичність, підвищує стійкість до корозії. Свинець знижує механічні властивості, поліпшує антифрикційні властивості, покращує оброблюваність різанням, проте підвищує щільність виливків. А фосфор підвищує міцність і рідкотекучість бронз.

Бронзи маркують літерами Бр (бронза), літерами інших компонентів і числами, які відповідають масовій частці легуючих елементів. Наприклад, БрО10 – бронза олов’яна, містить10%олова, решта (90%) – мідь.

Розрізняють деформівні і ливарні олов’яні бронзи.

Деформівні бронзи містять до 8% олова, 5% цинку, 4,5% свинцю та 0,35% фосфору. Щоб забезпечити добру пластичність, масову частку олова обмежують шістьма відсотками. Вироби, виготовлені з таких бронз (стрічки, прутки, дріт), поставляють у нагартованому (твердому) й відпаленому (м’якому) стані. Щоб наблизити структуру до рівноважного стану, бронзу відпалюють, в результаті чого отримують однофазну (α -фаза) структуру.

Ливарні бронзи мають низьку пластичність. З підвищенням вмісту олова до 9...11% у нерівноважній структурі з’являється крихка δ -фаза, яка й погіршує пластичність. Олов’яні бронзи, які мають двофазну структуру (α+δ) є антифрикційними матеріалами, адже вкраплення твердих зерен δ -фази протистоять спрацьовуванню, а м’яка α -фаза матриці сприяє доброму припрацьовуванню тертьових поверхонь. Окрім різноманітних втулок, вкладишів підшипників, вінців черв’ячних коліс, з ливарних бронз виготовляють сантехнічну арматуру.

Алюмінієві бронзи

Алюмінієві бронзи – це сплави міді з алюмінієм, які додатково можуть бути леговані нікелем, марганцем, залізом та іншими елементами. Вони мають добрі технологічні і механічні властивості та не містять в собі дефіцитних складових.

У рівноважному стані (рис.9.5) мідь з алюмінієм утворює обмежений a- твердий розчин з граничною розчинністю при нормальній температурі (20^оС)9,4% Al. При вмісті понад 9,4% Al в сплавах міді з алюмінієм при температурі 565^оС відбувається евтектоїдне перетворення, в результаті якого утворюється механічна суміш a-твердого розчину і крихкої g¢-фази (Cu₃₂Al₁₉) – евтектоїд:

b ® a + g¢. (9.2)

Рис. 9.5. Діаграма стану сплавів Cu-Al

 

У залежності від структури алюмінієві бронзи поділяються на одно (a)– і дво (a+g ¢)–фазні.

Однофазні алюмінієві бронзи (<7...8% Al) добре деформуються пластично як у холодному, так і в гарячому стані, корозійностійкі, мають високі механічні та добрі ливарні властивості. До однофазних належать, наприклад, бронзи БрА5, БрА7.

Двофазні бронзи (>9...11% Al) характеризуються більш високою міцністю і крихкістю. Їх можна піддавати гартуванню і старінню. Наприклад, бронза БрАЖН10-4-4 зміцнюється гартуванням з температури 980^оС і штучним старінням при 400^оС. Після такої обробки твердість підвищується в два рази –з 200 до 400НВ.

З алюмінієвих бронз виготовляють литтям і обробкою тиском відповідальні деталі машин: шестерні, втулки, фланці.

Кремнієві бронзи

Кремнієві бронзи – це сплави міді з кремнієм. Їх застосовують як замінник олов’яних бронз. Вони характеризуються більшою усадкою, ніж олов’яні бронзи, вищими корозійною стійкістю і механічними властивостями, а також високою пружністю. До кремнієвих належать бронзи БрК4, БрКМц3-1.

Берилієві бронзи

Берилієві бронзи – це сплави міді з берилієм. Вони характеризуються високими механічними, зокрема, пружними властивостями, стійкістю проти корозії. У промисловості застосовують берилієві бронзи, що містять 1,6...2,6% Ве, наприклад, БрБ2, БрБ2,5.

Розчинність берилію в міді зі зниженням температури від 866^оС до 300^оС зменшується від 2,7 до 0,2% (рис. 9.6). Це використовують для отримання високої міцності та пружності берилієвих бронз методом дисперсійного зміцнення. Для цього їх піддають гартуванню з нагріванням до 760...800^оС і штучному старінню при 300...350^оС. При гартуванні утворюється пересичений твердий розчин берилію в міді з такими механічними характеристиками: s_В= 450...560 МПа; 100НВ; d= 30...40%. При старінні відбувається виділення із пересиченого твердого розчину дисперсних частинок g -фази (CuBe), внаслідок чого підвищується міцність (s_В =1250...1300 МПа), твердість (370НВ) і знижується пластичність (d =2...5%) бронзи.

Застосовують берилієві бронзи для виготовлення пружин, мембран, слюсарного інструменту та ін.

 

Рис. 9.6. Діаграма стану сплавів Cu-Be

Свинцеві бронзи – це сплави міді зі свинцем. Вони використовуються як антифрикційний матеріал у підшипниках ковзання. Структура свинцевої бронзи БрС30 (30% Рb) складається з окремих зерен міді та свинцю. Високі антифрикційні властивості сплаву забезпечуються рівномірним вкрапленням свинцю в міді.

Хромові бронзи (БрХ0,5 ) – це сплави міді з хромом. Вони мають високі механічні властивості, добру електро- і теплопровідність, підвищену температуру рекристалізації (450...500^оС). Хромові бронзи містять 0,4...1% Cr і 0,2% Ag. Срібло підвищує механічні властивості і температуру рекристалізації бронз. Хромові бронзи зміцнюються гартуванням (950^оС) у воді і наступним штучним старінням (400^оС).

Цирконієві бронзи – це сплави міді з цирконієм, які містять 0,1...0,8% Zr, наприклад, БрЦр0,2; БрЦр0,7. Вони мають високу електро- і теплопровідність, що наближаються до аналогічних характеристик міді, і жароміцність.Цирконієві бронзи зміцнюються комплексною обробкою, яка складається з гартування (t_н= 920^оС), холодного пластичного деформування (e £75%)і штучного старіння (t_н= 450^оС), коли із a -твердого розчину виділяється зміцнююча фаза Cu₃Zr.

Хромові і цирконієві бронзи застосовують у двигунобудуванні. З них виготовляють внутрішній кожух рідинних ракетних двигунів.