Физические свойства бронзы

 

Обрабатываемость резанием практически всех бронз составляет 20% (по отношению к ЛС63-3). Исключение составляют оловянно-свинцовые бронзы БрОЦС с очень хорошей обрабатываемостью ( 90% для БрОЦС5-5-5).

Модуль упругости Е разных марок меняется в широких пределах: от 10000 (БрОФ, БрОЦ) до14000(БрКН1-3, БрЦр). Модуль сдвига G меняется в пределах 3900-4500. Эти величины сильно зависят от состояния бронзы (литье,прокат, до и после облагораживания). Для нагартованных лент наблюдается анизотропия по отношению к направлению прокатки. Ударная вязкость бронзы в основном меньше, чем ударная вязкость меди (для сопоставимости результатов все значения приведены для литья в кокиль):

Электропроводность бронзы намного ниже, чему меди и многих латуней (значения удельного сопротивления приведены в мкОм*м):

Низкое удельное сопротивление имеют низколегированные бронзовые сплавы БрКд, БрМг, БрЦр, БрХ.. Величина электропроводности имеет существенное значение для бронз, используемых для изготовления коллекторных полос, электродов сварочных машин, для пружинящих электрических контактов. Приведенные значения являются ориентировочными, т.к.на величину сопротивления оказывает влияние состояние материала. Особенно сильно оно может измениться под влиянием облагораживания (в сторону уменьшения, это касается БрХ, БрЦр, БрКН, БрБ2 и др.). Например, электросопротивление БрБ2 до и после облагораживания составляют 0.1 и 0.07 мкОм*м.

Теплопроводность бронзы намного ниже теплопроводности меди и ниже теплопроводности латуни (значения приведены вкал/cм*сС):

Высокую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Облагораживание улучшает теплопроводность. Высокая теплопроводность особенно важна для обеспечения отвода тепла в узлах трения и в электродах сварочных машин. Низкая теплопроводность облегчает процесс сварки бронзовых деталей. Сопротивление серебряной бронзы (медь легированная серебром до 0.25%) как и у чистой меди, но такой сплав имеет большую температуру рекристаллизациии малую ползучесть при высоких температурах.

 

Свойства и характеристики бронз | Всё о цветных металлах и сплавах (бронза, медь, латунь и др)

БРОНЗЫ  и  БРОНЗОВЫЙ  ПРОКАТ 

Классификация бронзовых сплавов

Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элемен-тами являются олово, алюминий, железо и другие элементы (кроме цинка, сплавы с которым относятся к латуням). Маркировка бронз состоит из  сочетания «Бр»,  букв, обозначающих основ-ные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание.

По химическому составу бронзы классифицируются по названию основного легирующего элемента. При этом бронзы условно делят на два класса: оловянные (с обязательным присутствием олова) и безоловянные.

По применению бронзы делят на деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья. В то же время многие бронзы,  из которых производится прокат, используются и для литья.

Химический состав и марки бронзовых сплавов определены в следующих ГОСТах:

Литейные: оловянные в ГОСТ 613-79,  безоловянные в ГОСТ 493-79.

Деформируемые: оловянные в ГОСТ 5017-2006,  безоловянные в ГОСТ 18175-78

Многообразие бронз отражает приведенная ниже таблица. В ней представлены практически все деформируемые и часть литейных бронз.  Бронзы, используемые исключительно как литейные, помечены «звездочкой». В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно деформируемые бронзы. Структура бронзовых сплавов кратко рассмотрена в — Структура и свойства сплавов.

ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ
БрО5*	БрОФ4-0.25	БрОЦ4-3	БрОС8-12*	БрОЦС4-4-2.5
БрО10*	БрОФ6.5-0.15	БрОЦ8-4*	БрОС5-25*	БрОЦС4-4-17*
БрО19*	БрОФ7-0.2	БрОЦ10-2*	БрОС10-10*	БрОЦС5-5-5*
	БрОФ10-1*		БрОС6-15*	БрОЦС6-6-3*
АЛЮМИНИЕВЫЕ БРОНЗЫ
БрА5	БрАМц9-2	БрАЖ9-4	БрАЖМц 10-3-1.5	БрАЖН 10-4-4
БрА7	БрАМц10-2*		БрАЖНМц 10-4-4-1	БрАЖН 11-6-6*
КРЕМНИ- СТЫЕ	БЕРИЛЛИЕВЫЕ	КАДМИЕВЫЕ	МАГНИЕВЫЕ	ХРОМОВЫЕ
БрКМц3-1	БрБ2	БрКд1	БрМг0.3 (0.5 и 0.8)	БрХ0.8
БрКН1-3	БрБ2.5	БрКдХ 0.5-0.15		БрХ1
БрКН0.5-2	БрБНТ-1.9			БрХ1Цр
СЕРЕБРЯНЫЕ	ЦИРКОНИЕВЫЕ	СВИНЦОВЫЕ	МАРГАНЦЕВЫЕ
БрСр0.1	БрЦр0.2	БрС30*	БрМц5

Физические свойства бронзовых сплавов

Модуль упругости Е разных марок меняется в широких пределах: от 10000 (БрОФ, БрОЦ) до 14000 (БрКН1-3, БрЦр).

Модуль сдвига G меняется в пределах 3900-4500. Эти величины сильно зависят от состояния бронзы (литье, прокат, до и после облагораживания). Для нагартованных лент наблюдается анизотропия по отношению к направлению прокатки.

       Обрабатываемость резанием практически всех бронз составляет 20% (по отношению к ЛС63-3). Исключение составляют оловянно-свинцовые бронзы  БрОЦС с очень хорошей обраба-тываемостью ( 90% для БрОЦС5-5-5).

       Ударная вязкость меняется в широких пределах, в основном она меньше, чем для меди (для сопоставимости результатов все значения приведены для литья в кокиль):

 

БрОФ 10-1	БрОФ 6.5-0.4	БрАЖ 9-4	БрА5	Медь	БрМц5
БрОЦС 6-6-3	БрОЦС 4-4-2.5	БрАЖМц	БрА7
БрОС 5-25	БрОЦ4-3	БрАМц 9-2	БрКМц3-1
Значение ударной вязкости >> увеличение >>
1 – 3	4 – 6	6 – 8	15 – 16	16 – 18	20

Электропроводность большинства бронзовых сплавов существенно ниже, чем у чистой меди и многих латуней (значения удельного сопротивления приведены в мкОм*м):

	БрКд
Медь	БрМг	Л63	БрОЦ4-3	БрАМц	БрКМц	БрОФ7-0.2
БрСр	БрЦр	ЛС59-1	БрОЦС 5-5-5	БрА7		БрАЖМц
	БрХ			БрАЖ9-4		БрАЖН
Значения удельного электросопротивления >> ухудшение электропроводности>>
0.02	0.02 — 0.04	0.065	0.09-0.1	0.1-0.13	0.15	0.19

Сопротивление серебряной бронзы (медь легированная серебром до 0.25%) такое же как у чистой меди, но такой сплав имеет большую температуру рекристаллизации и малую ползучесть при высоких температурах.

Низкое удельное сопротивление имеют низколегированные бронзовые сплавы БрКд, БрМг, БрЦр, БрХ.. Величина электропроводности имеет существенное значение для бронз, используемых для изготовления коллекторных полос, электродов сварочных машин, для пружинящих электрических контактов. Приведенные значения являются ориентировочными, т.к. на величину сопротивления оказывает влияние состояние материала. Особенно сильно оно может измениться под влиянием облагораживания (в сторону уменьшения, это касается БрХ, БрЦр, БрКН, БрБ2 и др.). Например электросопротивление БрБ2 до и после облагораживания составляют 0.1 и 0.07 мкОм*м.

Теплопроводность большинства бронз существенно ниже теплопроводности меди и ниже теплопроводности латуней (значения приведены в кал/cм*с*С):

Медь	БрКд	БрКН1-3	Л63	БрАЖН	БрАМц	БрОФ10-1	БрКМц
БрСр	БрМг	БрА5	ЛС59-1	БрБ2	БрАЖ		БрМц5
	БрХ			БрОЦ4-3	БрАЖМц
Значения теплопроводности >> ухудшение >>
0.9	0.8-0.6	0.25	0.25	0.25-0.18	0.17-0.14	0.13-0.12	0.1-0.09

Высокую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Облагораживание улучшает теплопроводность. Высокая теплопроводность особенно важна для обеспечения отвода тепла в узлах трения и в электродах сварочных машин. Низкая теплопроводность облегчает процесс сварки бронзовых деталей.

Механические свойства бронзового проката

Если из всего разнообразия латуней массово производится  прокат только двух марок (ЛС59-1 и Л63), то для массового производства полуфабрикатов из бронзы используется значительно большее количество  марок.  Бронзовый прокат включает в себя  круги, трубы, проволоку, ленты, полосы и плиты.

 Бронзовые круги

Бронзовые круги выпускаются прессованными, холоднодноформированными и методом непрерывного литья. Способ производства и диапазон производимых диаметров определяется технологическими свойствами конкретной бронзы. В таблице указано соответствие между марками бронз, диаметром прутка и способом производства.

Общее представление об основных механических свойствах бронзовых кругов  дает следующая гистограмма.

Непрерывнолитые круги.

Методом непрерывного литья массово производятся БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, реже БрОФ10-1 и БрАЖМц10-3-1.5. В изделиях, полученных этим способом, отсутствуют дефекты, характерные для литья в кокиль или песчаную форму. Поэтому по своим свойствам непрерывнолитые полуфабрикаты существенно превосходят отливки в кокиль и близки к прессованным полуфабрикатам.

Круги из  БрОЦС5-5-5 и БрОФ10-1 имеют относительно гладкую поверхность, нарушаемую неглубокими вмятинами от тянущего устройства. Круги этих марок производятся только непрерывнолитым способом.

Круги из БрАЖ и БрАЖМц, полученные методом непрерывного литья, могут иметь на поверхности опоясывающие трещины глубиной до 1 мм. По твердости, прочности и пластичности непрерывнолитые круги незначительно уступают прессованным, антифрикционные свойства у них практически одинаковы, а стоимость их существенно ниже. При необходимости качественные круги больших диаметров (свыше 100 мм) и короткой длины можно отливать методом центробежного литья.

 

Прессованные  и холоднодеформированные круги.            Они производятся по ГОСТ 1628-78, а также ГОСТ 6511-60 (БрОЦ4-3), ГОСТ10025-78 (БрОФ6.5-0.15 и БрОФ7-0.2) и ГОСТ 15835-70 (БрБ2) и многочисленным ТУ.

Массово производятся и имеются в свободной продаже прессованные круги   из БрАЖ9-4 диаметром 16-160 мм.

Доступны также круги из БрАЖМц10-3-1.5, БрАЖН10-4-4 и БрАЖНМц9-4-4-1, но они значительно дороже. Прессованные круги других марок выпускаются под заказ.
Холоднодеформированные (тянутые) круги выпускаются в разном состоянии поставки  диаметром до 40 мм. На гистограмме представлены данные для прутков из БрОЦ4-3. БрКМц3-1, БрОФ7-0.2 (твердое состояние),  БрАМц9-2 (полутвердое состояние) и прутков БрБ2  в состояниях «М» и «Т» Следует отметить, что холоднодеформированные круги производятся под заказ и являются большим дефицитом.

Бронзовые трубы и заготовки для втулок

Прессованные трубы общего назначения производятся из БрАЖМц10-3-1.5, БрАЖН10-4-4 (ГОСТ 1208-90). Трубы специального назначения выпускаются из других марок по различным ТУ. Методом непрерывного литья выпускаются трубные заготовки из БрОЦС5-5-5, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1.5. Механические свойства труб практически совпадают с таковыми для соответствующих кругов.

Заготовки для втулок  отливаются в кокиль или методом центробежного литья. При этом чаще используются марки БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1, БрОЦ10-2.

 

Особенности свойств различных бронзовых сплавов 

Выбор бронзы для использования в конкретных целях не определяется только величинами s_в и НВ, которые отражают лишь часть механических свойств. Выбор той или иной марки производится с учетом всего комплекса физических, механических, технологических и антифрикционных свойств, коррозионной стойкости, поведения при высоких или низких температурах и т.д. Ниже в таблице сопоставлены свойства и марки бронзовых сплавов.

Свойства	Марка бронзы
Наибольшая электро- и теплопроводность	БрСр, БрКд, БрМг, БрЦр, БрХЦр, БрХ
Жаропрочность	БрМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц
Жаропрочность в сочетании с высокой электропроводностью	БрХЦр, БрХ, БрКН
Износостойкость	БрОФ6.5-0.4, БрА5, БрА7, БрБ2
Износостойкость в сочетании с высокой электропроводностью	БрКд, БрМг
Хорошая свариваемость	БрКМц3-1, оловянные бронзы
Эрозионная и кавитационная устойчивость	БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц
Высокий предел ползучести	БрА7,  БрАЖН
Сопротивление коррозионной усталости	БрБ2

ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ

(Антифрикционные бронзы)

Бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов. К числу бронз, которые импользуются в качестве антифрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз,  а из безоловянных — БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются главным образом для изготовления 1) опор подшипников скольжения, 2) колес (венцов) червячных передач и 3) гаек в передачах «винт-гайка».

 

Анти-фрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются  свойствами поверхностного слоя, тогда как механические свойства определяются объемными свойствами материала.

Это неочевидное утверждение можно проиллюстрировать на примере двух бронз — БрС30 и БрАЖ9-4 при их использовании в подшипниках скольжения. БрС30 существенно уступает бронзе БрАЖ9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлиение). Однако, именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускающих высокие скорости и высокие нагрузки ( в т.ч. ударные).

 

Поэтому при выборе  бронзы для использования в узлах трения  учитывают прежде всего антифрикционные, а затем — механические свойства. Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1.5  БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1. Для направляющих используются катаные полосы из БрАМц9-2 и плиты (литые и отфрезерованные) из БрАЖ9-4 и БрОЦС5-5-5.

Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от вида узла трения и условий его работы. Для наиболее распространенных случаев общие рекомендации могут быть следующими.

 

Подшипники скольжения.

При скоростях скольжения > 5-6 м/с предпочтительно применять БрОФ10-1. При скоростях < 5-6 м/с можно применять  БрАЖ9-4 или БрОЦС5-5-5. Если опорная поверхность вала закалена, то можно применять любую из этих бронз, но БрАЖ допускает вдвое большие радиальные нагрузки. Если опорная поверхность вала незакалена, можно применять только БрОЦС.

Колеса (венцы) червячных передач.

При скоростях скольжения  > 8-12 м/с применяется БрОФ10-1. При скоростях 4-10 м/с применяется БрОЦС5-5-5. При скоростях <4-6 м/с применяется БрАЖ9-4.

Более подробно  вопросы применения бронз в узлах трения рассматривается на странице Антифрикционные материалы. Соответствующие рекомендации могут быть полезны при проведении ремонтных работ в отсутствии технической документации на изделие.

Круги и заготовки из основных марок бронз имеются на складе — см. стр. сайта «БРОНЗОВЫЕ КРУГИ и ТРУБЫ»

 

Термоупрочняемые (облагораживаемые) бронзы      В некоторых бронзах при понижении температуры растворимость легирующей компоненты резко падает и её выделение из твердого раствора  приводит к эффекту дисперсионного твердения. Этот процесс сопровождается резким изменением физических и механических свойств.

Бронзы, способные к дисперсионному твердению, позволяют осуществлять упрочнение изделий из них за счет специальной термообработки (старение, облагораживание). В результате возрастают твердость, пределы текучести и прочности,  улучшается коррозионная стойкость, повышается тепло- и электропроводность.

К бронзам с эффектом дисперсионного твердения относятся бериллиевые, хромистые, циркониевые, кремнисто-никелевые и некоторые сложные сплавы (см. таблицу марок бронз). Полуфабрикаты из таких бронз (прутки, ленты, плиты, проволока) имеют следующие состояния поставки:

— Без термообработки.

Это горячекатаные плиты или прессованные прутки, остывшие со скоростью естественного охлаждения.

— С термообработкой (закалка).

В этом случае полуфабрикат нагревается до  некоторой «высокой» температуры после чего производится его закалка в воду для получения пересыщенного твердого раствора. Это закаленные полуфабрикаты, состояние которых обычно маркируется буквой «М». Такая термообработка повышает пластичность и позволяет в дальнейшем производить операции гибки, вытяжку, прокатку и другие виды холодной деформации. Твердость, пределы текучести и прочности, пластичность закаленных бронз несколько выше, чем  у прессованных.

—  С термообработкой (закалка) и последующей холодной деформацией.

Холодная деформация повышает пределы текучести и прочности и увеличивает твердость закаленных полуфабрикатов. Холоднодеформированный полуфабрикат после закалки обычно маркируется буквой «Т».

Второй этап термообработки – отпуск, обычно производится уже над изделием. Отпуск производится при «низкой температуре» в течение определенного времени. В процессе отпуска происходит выделение  избыточной фазы с упорядоченным распределением легирующего элемента. Эти выделения связаны со значительными напряжениями кристаллической решетки, которые вызывают повышение прочности и твердости.

Таким образом, облагораживание такого класса бронз состоит из двух операций. Вначале производится быстрая закалка, затем длительный отпуск. Между закалкой и отпуском может производиться упрочнение холодной деформацией или изготовление детали. Режимы облагораживания сильно зависят от химического состава бронзы. Для БрБ2 температура закалки 750-790 С, температура отпуска 300 – 350 С  в течение 2 – 4 часов. Для БрХ0.5 температура закалки 950 С, температура отпуска 400 С в течение 4 часов.

Эффект термообработки для прутка из БрБ2 показан на гистограмме, а для лент — в таблице. Там же, в таблице,  приведен эффект облагораживания для хромистой бронзы БрХ0.5.

	БрБ2		БрХ0.5
	После закалки (М)	После закалки и отпуска	После закалки (М)	После закалки и отпуска
Модуль упругости Е, МПа	9500	10500	11200
Предел текучести, МПа	200 — 350	950 — 1350	500	270
Предел  прочности, МПа	400 — 600	1100-1500	240	410
Относительное  удлинение	20	2	50	22
Твердость HV	<130	330	65	130
Электрическое сопротивление	0.1	0.04 — 0.07	0.04	0.02

Дисперсионное твердение изделий, изготовленных из термоупрочняемых бронз (БрБ2, БрХ, БрХЦр, БрКН) и сплавов (МНМц20-30) существенно повышают показатели прочности и твердости в сравнении с исходным материалом поставки. Наибольший эффект от облагораживания  имеют изделия из бериллиевых бронз.
                                                  ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУЖИН

(Упругие свойства бронзовых сплавов)

Для изготовления пружин используются материалы с высоким пределом упругости и минимальным уровнем неупругих явлений (упругий гистерезис, низкий уровень релаксации и др.).

Для изготовления пружин и пружинящих деталей используются ленты, прутки и проволока из БрКМц3-1, БрОФ6.5-0.15, БрОФ7-0.2, БрОЦ4-3, бериллиевых бронз. Высокая пластичность этих бронз даже в твердом состоянии позволяет использовать для навивки пружин не только проволоку, но и прутки диаметром до 10-15 мм.

В зависимости от вида пружины на её материал действуют нормальные (сжатие-растяжение) или касательные напряжения. Жесткость пружины определяется модулем упругости  E или модулем сдвига G соответственно. Область допустимых нагрузок тем больше, чем больше соответствующий предел упругости (текучести), но при расчетах допустимые нагрузки и деформации рассчитывают по пределу прочности при растяжении  с учетом расчетных коэффициентов.

В таблице представлены свойства лент из БрОФ, БрОЦ, БрКМц (в твердом состоянии) и БрБ2 (после дисперсионного твердения из состояния «Т»).

ГОСТ	4748-92	1761-79		1789-70
Марка бронзы	БрКМц3-1	БрОФ6,5-0,15	БрОЦ4-3	БрБ2
Модуль упругости Е, МПа	12000	9500	9500	12000
Предел упругости ?0.005, МПа	260 — 530	320- 480	300-450
Предел текучести ?0.2 , МПа	510 — 750	550 — 720	520-680	1150-1600
Предел  прочности ?В , МПа	600 — 770	580 — 760	550-700	1150-1600
Относ.  удлинение ?	2	3	2	—
Твердость HV	180 — 250	170 -220	170-210	360

 

Для изготовления плоских пружин используется также лента из БрА7. Её параметры  (ГОСТ 1048-79) практически совпадают с таковыми для бронзы БрКМц, но БрА7 отличается очень высоким пределом ползучести.

После изготовления пружин из облагораживаемых материалов (бериллиевые бронзы и сплав МНМц20—20)  производится их дисперсионное твердение.

Технологический процесс изготовления винтовых цилиндрических пружин из материалов этой группы включает следующие основные операции: закалка, навивка заготовок, разрезка длинных заготовок на отдельные пружины, обработка торцов  пружин, дисперсионное твердение. Процесс изготовления плоских пружин включает: резку материала на ленты требуемой ширины,   закалку, штамповку пружин, дисперсионное твердение.
 В результате такой термообработки повышается твердость, упругость, износостойкость и значительно повышается усталостная прочность материала пружин.

ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ И ПРОВОДНИКОВ ТОКА

(Электродные и проводящие сплавы)

Среди многочисленных марок бронз выделяется группа сплавов с малым (0.3 – 1%) содержанием легирующих элементов. Они отличаются тем, что обладают практически такой же электро- и теплопроводностью, как и чистая медь, но при этом они имеют большую твердость, предел текучести, износостойкость, предел усталости, и сохраняют работоспособность до более высоких температур за счет повышенной (по сравнению с чистой медью)  температуры начала рекристаллизации.

К таким сплавам относятся:

Кадмиевые бронзы (Cd: 0.9-1.2%) — прутки, ленты и коллекторные полосы.

Хромокадмиевые бронзы (Cd: 0.2-0.5%,  Cr: 0.35-0.65%) — прутки

Магниевые бронзы (Мg: 0.3-0.8%)  — коллекторные полосы и проволока.

Серебряные бронзы (Ag до 0.25%) – прутки, проволока, полосы.

Хромистые бронзы (Cr: 0.5 – 1.0) – прутки, плиты, полосы для коллекторных пластин, проволока.

Циркониевые (Zr: 0.2 – 0.7%) – коллекторные полосы, трубы, полосы

Хромисто-циркониевые бронзы – прутки, плиты

Эти бронзы имеют два основных применения.

1. Использование в производстве силовых подвижных контактов (контактные кольца,  коллекторные пластины). Здесь в первую очередь важна высокая износостойкость, а также работоспособность при повышенных температурах.
2. Для изготовления электродов сварочных машин. Электродные сплавы должны иметь      высокую температуру размягчения, высокую твердость и предел текучести в области рабочих температур (500 — 700 С).

 

На рисунке (Б) показано изменение твердости меди, кадмиевой и хромистой бронз с повышением температуры. Видно несомненное преимущество БрХ при высоких температурах. Ещё лучшие результаты имеют БрХЦр, БрБНТ и другие сплавы, но их применение ограничивается высокой ценой и доступностью.

На соседнем рисунке (А) видна принципиальная разница между облагораживаемой хромистой бронзой с одной стороны и обычной бронзой (БрКд) или медью с другой.

 

Отжиг холоднодеформированных прутков из  меди или БрКд уменьшает твердость. При температурах выше температуры рекристаллизации разрушается текстура и металл разупрочняется. В то же время в БрХ при 400^оС  происходит дисперсионное твердение и его твердость после отжига, наоборот, возрастает. Если бы дисперсионное твердение не происходило, то твердость уменьшалась бы по пунктирной кривой (происходило бы разупрочнение). Это означает, что после изготовления электродов из сплавов типа БрХ, БрХЦр, они должны быть соответствующим образом термообработаны для улучшения их физико-механических свойств.

СОСТАВ БРОНЗ, СВОЙСТВА БРОНЗ, ПЛОТНОСТЬ БРОНЗЫ

 

Бронза — это название сплава состоящего из меди и различных легирующих элементов, основной добавкой считается олово, что и определило название оловянистые бронзы. Высокие литейные свойства бронзы определяются исключительно малой усадкой, которую имеет бронза. Усадки оловянистой бронзы меньше чем у латуни и сталей. Усадку можно выразить в цифрах, если усадка бронзы 1, то у латуни это уже 1,5, а у сталей 2. Наиболее сложные по конфигурации отливки обычно делают из бронзы, например, художественное бронзовое литье.

Текучесть бронзы в расплавленном состоянии небольшая, вследствие большой разницы температур между бронзами с различным содержанием олова. По этой же причине бронза не дает концентрированной усадочной раковины и для отливки бронз нет необходимости иметь большие прибыли. По этой же причине отливки из бронзы редко удается получить высокой плотности, рассеянные усадочные поры по всему объему отливки понижают ее герметичность.

Влияние олова на механические свойства меди в сплаве бронзы,такое же, как и влияние цинка, но более резкое. Уже при содержании около пяти процентов олова пластичность бронзы начинает падать. Прочность бронзы начинает падать при содержании олова около двадцати процентов, когда в структуре слишком много  В — фазы и сплав становится хрупким.

В литой бронзе наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, и поэтому бронза с содержанием олова на десять и более процентов является одним из наилучших антифрикционных материалов и широко применяется как подшипниковый сплав. Плотность бронзы с учетом добавления различных элементов тоже различная и может колебаться процентов на двадцать относительно 8 г/см3.

Благодаря высокой химической стойкости бронзы из них делают трубопроводную арматуру. Таким образом основное применение бронзы это сложные отливки, вкладыши подшипников и трубопроводная арматура. Для удешевления в большинстве промышленных бронз добавляют от пяти до десяти процентов цинка. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не влияет существенно на структуру сплава.

Для лучшей обрабатываемости в бронзу вводят  от трех до пяти процентов свинца, который присутствует в виде обособленных включений, обеспечивающих ломкость стружки при ее обработке на металлорежущих станках. Фосфор вводится в бронзу как раскислитель и устраняет хрупкие включения окиси олова. При наличии около одного процента фосфора такую бронзу принято называть фосфористой. Фосфор при его содержании более 0,2 процента образует твердые включения, повышая антифрикционные свойства бронзы.

Бронзу маркируют начальными буквами  Бр , затем следуют буквы, показывающие какие легирующие элементы содержаться в ней, а потом цифры показывающие количество процентов этих элементов в бронзе. Например, БрАЖ 9-4, БрОЦС 5-5-5, БрКМц 3-1, БрОФ 7-0,2, БрБ 2.

Кроме всех перечисленных сплавов бронз существуют сплавы бронзы с добавлением алюминия, кремния, бериллием и другими элементами. Малой величиной усадки оловянистые бронзы превосходят другие бронзы, но другие бронзы превосходят оловянистую по другим параметрам. бронза с алюминием и кремнием лучше по механическим свойствам, алюминиевая превосходит по  химической стойкости, бронза с добавлением кремния и цинка имеет лучшую жидко текучесть. Бериллиевая бронза отличается от остальных высокой твердостью и упругостью.

Свойства бронз содержащие от пяти до десяти процентов алюминия обладают ценными технологическими и механическими свойствами. Эти бронзы кристаллизуются в узком интервале температур, из за этого приобретают высокую жидко текучесть и дают концентрированную усадочную раковину. Кроме простых бронз существуют бронзы с большим содержанием алюминия и добавления магния, железа и никеля.

Бронзы с содержанием алюминия применяются для изготовления различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестеренок и много других преимущественно мелких по ответственных деталей.

Сплав бронзы с содержанием кремния около четырех процентов является как бы заменителем оловянистых бронз, но бронзы с кремнием  лучшие показатели по коррозионной стойкости, механическим свойствам и плотности бронзы  в отливках.

Бронзы с добавлением Бериллия около двух процентов БрБ 2 , бериллиевые бронзы, представляют особый интерес. Этот сплав дисперсионно твердеющий. При комнатной температуре растворимость бериллия в меди не превышает 0,2 процента, но закалка от 800 градусов фиксирует перенасыщенный раствор. Если закаленный сплав с содержанием бериллия подвергнуть искусственному старению при температуре 300 — 350 градусов, твердость сплава достигает 350 —  400 Hв.

Высокая прочность бронзы и упругость при высокой химической стойкости, хорошей свариваемости, обработке резанием делают бронзу с добавлением бериллия подходящим материалом для производства  ответственных деталей, специальных пружин, мембран, пружин и контактов и много другого где требуются эти качества.  Высокая стоимость бериллия препятствует широкому распространению этой бронзы и применяется для действительно для ответственных деталей со специальными свойствами.

Бронза с добавлением 30 процентов свинца является высоко качественным антифрикционным материалом широко применяемым в машиностроении. Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца. Если свинец равномерно вкраплен в медь, то антифрикционные свойства сплава высокие.

Бронза состав

Марка сплава	Содержание элементов в процентах
	Sn	Zn	Pb	P	Al	Mn	Fe	Ni	Be
БрОФ 7	6 — 8	—	—	0,1 — 0,25	—	—	—	—	—
БрОЦС 6	5 — 7	5 — 7	2 — 4	—	—	—	—	—	—
БрОФ 10	9 — 11	—	—	0,6 — 1,0	—	—	—	—	—
БрА 7	—	—	—	—	6 — 8	—	—	—	—
БрАМц 9	—	—	—	—	8 — 10	1,5 — 2,5	—	—	—
БрАЖН 10	—	—	—	—	9,5 — 11	—	3,5 — 5,5	3,5 — 5,5	—
БрБ 2	—	—	—	—	—	—	—	—	2,0 — 2,3

Основные свойства бронзы БрБ2

 

 Сплав БрБ2 является весьма специфичным, отличным от других медных сплавов. Специфика этого сплава обусловлена содержащимся в нем бериллия (Ве). Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз, как при производстве проката, так и при изготовлении изделий. 
В промышленных сплавах системы Cu-Be, как и в большинстве материалов с эффектом дисперсионного упрочнения, концентрационная область располагается возле границы максимальной растворимости в твердом растворе, и соответствует примерно 2% содержания Be. При концентрации бериллия от 1.6 до 2.0% веса, модификация бериллия, известная как β — фаза, присутствует при температуре ниже 600˚С. Эта фаза формируется как результат ограниченной твердой растворимости бериллия. В этот фактор более всего способствует отвердению при термообработке («старении»). При нагревание сплава до температуры 780˚С бериллий растворяетсяся в α -фазе (твердый раствор α + β). Резкое охлаждение до комнатной температуры поддерживает бериллий в твердом растворе. Этот процесс, называемый отжигом и делает сплав мягким и тягучим, помогает регулировать размер кристаллов, подготавливает сплав к операции «старения». Нагревание насыщенного твердого раствора до температуры 315˚С с выдержкой на этой температуре 2-3 часа вызывает осаждение упрочняющей фазы и придает сплаву высокую твердость. Одним из важных свойств материала, используемого для опор скольжения, является устойчивость к нагреву. 
В таблице 1 приведено изменение механических свойств сплава БрБ2, содержащего 2% Ве, в зависимости от температуры и продолжительности нагрева. Перед нагревом образцы были подвергнуты старению при Т=320 ˚С в течение t=2 часов.

 Таблица 1 Изменение механических свойств образцов меднобериллиевого сплава БрБ2, с повышением температуры и продолжительности выдержки при заданной температуре.

№ п\п	Температура, С	Время выдержки, час	Предел прочности, МПа	Условный предел текучести 0,2%, МПа	Удлиннение, %
1	20	1	1265	1065	6,8
2	250	1	1350	1050	5,8
3	250	500	1260	1005	3,9
4	250	1000	1020	945	3,9
5	300	1	1178	940	2,0
6	300	500	1022	750	3,0
7	300	1000	971	730	4,0
8	400	1	795	416	7,0
9	400	500	532	300	16,0
10	400	1000	492	287	20

Вывод: Как видно из данных таблицы, до 250˚С механические свойства практически не меняются даже при выдержке в течение 1000 часов, что говорит о хорошей устойчивости бериллиевой бронзы к температурному воздействию. Важнейшим из свойств подшипникового материала является износостойкость и антифрикционность. 
Вследствие большой твердости, которую изделия из меднобериллиевых сплавов приобретают после старения, они обладают и высоким сопротивлением износу при хороших антифрикционных свойствах. Коэффициент трения подвергнутого отпуску меднобериллиевого сплава марки БрБ2 в паре осевой железнодорожной сталью и смазкой веретенным маслом №2, полученный при испытании на машине Амслера, равен 0,05. 
Хорошее скольжение обеспечивается наличием на поверхности изделий окисной пленки. 
Кроме того КТР бронзы БрБ2 близок к КТР инструментальных сталей, что также способствует надежной работе этих материалов в одном узле. Зарубежный опыт использования бериллиевой бронзы в качестве материала для опор скольжения. Результаты испытаний. 
Компания Brush Wellman Inc (США), являющаяся признанным мировым лидеров в области производства бериллиевых бронз, рекомендует к применению для производства подшипниковых опор тяжело нагруженных агрегатов и устройств, работающих в агрессивных средах, сплав Alloy 25, (С17200). 
Сплав Alloy 25 в состаренном состоянии достигает максимальной прочности и твердости после обработки холодной пластической деформацией. Предельная прочность на разрыв может превышать 200 ksi (1290 МПа) при твердости 45 HRC. Сплав Alloy 25 также проявляет исключительную устойчивость к релаксации напряжений в условиях повышенных температур. Российский аналог Alloy 25 — сплав БрБ2, тождественен Alloy 25 по химическому составу (табл. 2) и обладает механическими характеристиками, приведенными в табл.3 Табл. 2 Сравнительные характеристики бериллиевых бронз по химическому составу,%

Марка сплава	Be	Co	Ni	Co+Ni	Co+Ni+Fe	Примеси	Cu
Alloy 25	1,8-2,0	—	—	0,2 min	0,6 max	0,15Al; 0,15Fe; 0,15Si; 0,005Pb; сумма-0,5	Баланс
БрБ2	1,8-2,1	—	0,2-0,5	—	—	0,15Al; 0,15Fe; 0,15Si; 0,005Pb; сумма-0,5	Баланс

Табл. 3 Гарантируемые механические характеристики полуфабрикатов из БрБ2 в сравнении с БрКмЦ3-1

Марка сплава	ГОСТ	Полуфабрикат	Состояние	Диаметр, мм	σ, Мпа	δ, %	НВ
БрБ2	15835-70; 1789-70	Прутки тянутые	Мягкое	5,0-40,0	392-590	≥25	100-150
БрБ2	15835-70; 1789-70	Прутки тянутые	Твердое	5,0-15,0; 15,0-40,0	735-980; 640-880	1,0; 1,0	150; 150
БрБ2	15835-70; 1789-70	Прутки тянутые	Состаренное из мягкого	5,0-40,0	≥ 1080	2,0	≥320
БрБ2	15835-70; 1789-70	Прутки тянутые	Состаренное из твердого	5,0-40,0	≥ 1170	2,0	≥340
БрБ2	15835-70; 1789-70	Прутки прессованные	Прессованное	42-100	≥ 442	20	—
БрКмЦ3-1	18175-78; 1628-78	Прутки тянутые	Твердое	13-41	≥ 490	15	160

Отметим, что здесь и далее под сопротивлением износу (износостойкостью) понимается стойкость в условиях, когда трущиеся металлы начинают свариваться, «схватываться» под влиянием высокого давления, т.е. возникают условия для диффузионного взаимопроникновения частиц трущихся металлов. 
Инженерный центр компании Brush Wellman, обосновывая выбор материала Alloy 25 (БрБ2), в таблицах 4-8 приводит экспериментальные данные испытаний на износостойкость, полученные по методике ASTM -G98 сообщества инженеров США. 
Методика проведенных экспериментов заключалась в следующем: измерялся износ пары материалов в устройстве, состоящим из неподвижного блока из испытуемого материала, в отверстие которого помещается и нагружается осевой нагрузкой цилиндрический диск, выполненный из другого контактирующего материала, причем последний приводится во вращение в условиях сухого трения. В табл. 4 приведены данные по износостойкости фрикционной пары Alloy 25 (БрБ2) в контакте с Alloy 25 (БрБ2), подвергнутой различным видам термообработки и деформационного упрочнения. 
В табл. 5 приведены данные по износостойкости Alloy 25 (БрБ2) в контакте с коррозионно-стойкими сталями и сплавами. Табл. 4 Износостойкость Alloy 25 (БрБ2) в контакте с Alloy 25 (БрБ2)

Виды термообработки сплавов в контакте	Условный предел текучести, σ 0,2%	Пороговое значение давления прижима трущихся материалов при испытании
АТ в контакте с АТ	140ksi (903МПа)	100ksi (645МПа) +
НТ в контакте с НТ	150ksi (968МПа)	100ksi (645МПа) +
DST в контакте с DST	110ksi (709МПа)	100ksi (645МПа) +

ПРИМЕЧАНИЕ: 
AT — закаленный и состаренный 
HT — Подвергнутый холодной деформации после закалки и состаренный 
DST — Отожженный и состаренный под нагрузкой 100 -110 ksi 
+ (без следов износа) Табл. 5 Износостойкость Alloy 25 (БрБ2) в контакте с коррозионно-стойкими сталями и сплавами

Сплавы в контакте	Условный предел текучести, σ 0,2%	Пороговое значение давления прижима трущихся материалов при испытании
Аустенитные стали в контакте с Alloy 25:
303	45ksi (290МПа)	40ksi (258МПа) +
304	55ksi (355МПа)	30ksi (194МПа) +
316	44ksi (284МПа)	30ksi (194МПа) +
Ферритные и мартенситные стали в контакте с Alloy 25:
416 (0,95%Cr, 0,3%Mo)	92ksi (593МПа)	70ksi (452МПа) +
440	79ksi (510МПа)	50ksi (323МПа) +
Никель-кобальтовые сплавы в контакте с Alloy 25:
Nitronic 50 (аналог 03Х14Р7В)	79ksi (510МПа)	60ksi (387МПа) +
Nitronic 60	56ksi (361МПа)	55ksi (355МПа) +
Alloy 2205	87ksi (561МПа)	80ksi (516МПа) +
15-5PH	149ksi (961МПа)	90ksi (581МПа) +
17-4PH	146ksi (942МПа)	90ksi (581МПа) +
Custom 445	132ksi (851МПа)	60ksi (387МПа) +
Gall Tough	6ksi (38МПа)	50ksi (323МПа) +

ПРИМЕЧАНИЕ: 
Сплав Alloy 25 в процессе испытания на износ при давлении 145 ksi 
+ (без следов износа) В табл. 6, для сравнения с износостойкостью Alloy 25 (БрБ2), приведены данные по износостойкости некоторых никель-кобальтовых сплавов, химический состав которых приведен в табл. 7 
В табл. 8 для сравнения с износостойкостью Alloy 25 (БрБ2) приведены данные по износостойкости кремниевых бонз типа БрКН1-3 и БрКМцЗ-1, применяемых обычно в качестве антифрикционных втулок. Табл. 8 Износостойкость кремниевых бронз, обычно применяемых в опорах скольжения Анализ данных испытаний на износостойкость позволяет сделать следующие выводы: 
1. Пара бериллиевых бронз Alloy 25 (БрБ2) — Alloy 25 (БрБ2) обладает наиболее высокими износостойкими свойствами по сравнению с остальными антифрикционными парами. 
2. Alloy 25 (БрБ2) демонстрирует хорошие износостойкие свойства в состаренном состоянии независимо от истории термической обработки и предшествующей обработки давлением. 
3. При трении в паре Alloy 25 (БрБ2) — коррозионно-стойкая сталь износа не наблюдается при нагрузке до 0,8 предела текучести для большинства из рассмотренных материалов. 
4. Бериллиевая бронза Alloy 25 (БрБ2) обладает существенно более высокими износостойкими свойствами по сравнению с кремнистыми бронзами (см. табл. 3,4 и табл. 7) при более высоких механических свойствах в состаренном состоянии (см. табл. 2) Вывод: При трении в парах сплав БрБ2 по сплаву БрБ2, сплав БрБ2 по нержавеющей стали износа не наблюдается при нагрузках составляющих 0.7…0.9 от предела текучести сплава или нержавеющей стали (в зависимости от того, каков предел текучести у нержавеющей стали). Указанные нагрузки в парах трения существенно превышают предельные нагрузки для большинства других сплавов, в том числе используемых в качестве подшипников скольжения. Правда следует отметить, что износостойкость пар БрБ2 — рядовые стали относительно невелика. И, наконец, третьим показателем, характеризующим надежность опор скольжения, является их коррозионная устойчивость. 
Так, например, опоры скольжения буровых долот или лопастных насосов, работающих на нефтяных месторождениях, должны выдерживать воздействие содержащихся в пластовых жидкостях взвешенных и коррозионных веществ при высоких давлениях и температурах. По сопротивлению коррозии бинарные бериллиевые бронзы очень близки к оловянным и алюминиевым бронзам. Например, коррозионная стойкость БрБ2 в 3% растворе HNO3 почти одинакова со стойкостью бронз с 10-14% Sn и алюминиевых бронз с 6-8% Al. В 3% растворе HCl наблюдалось потеря только половина массы бериллиевой бронзы по сравнению с потерями оловянных бронз и примерно равные потери массы с алюминиевыми бронзами. 
Бериллиевые бронзы показывают хорошую устойчивость в холодной пресной и морской воде, в большинстве кислотных и щелочных растворов. В табл. 9 приведены данные о скорости коррозии БрБ2 в различных средах. Табл. 9 Скорость коррозии БрБ2 под действием различных реагентов, мкм/год Бериллиевые бронзы, подвергаясь действию влажной или содержащей серу атмосферы, со временем, подобно меди, темнеют. Однако, образующаяся на их поверхности пленка, не влияет на механические свойства. Хорошая стойкость в теплом и влажном воздухе свидетельствует о возможности применения меднобериллиевых сплавов для изготовления деталей, работающих в тропических условиях. Бериллиевые бронзы мало склонны к межкристаллитной коррозии, однако в напряженном состоянии под действием влажного аммиака и воздуха они подвергаются коррозионному растрескиванию. При повышенных температурах газы вызывают избирательную коррозию меднобериллиевых сплавов, реагируя главным образом с составляющей, обогащенной бериллием. Под действием фтора, хлора, брома и йода на поверхности меднобериллиевых сплавов образуются бериллиевые галоидные соединения, характеризующиеся большой летучестью, вследствие чего происходят потери бериллия. Этот процесс протекает очень энергично при повышенных температурах. Поэтому меднобериллиевые сплавы не следует применять там, где возможно действие указанных газов при повышенных температурах. При высоких температурах бериллиевая бронза окисляется меньше, чем медь и некоторые сплавы на её основе. При исследовании сплавов с 1-2,4% Ве было установлено, что при длительной выдержке при 800˚С окисление бинарного сплава с 2,4% Ве чрезвычайно мало. Сравнительные испытания показали, что сталь с 12,5% Cr в четыре раза сильнее окисляется при 610˚С, чем БрБ2, и в равной степени окисляется при 810˚С. В таблице 10 приведены результаты исследования влияния состава меднобериллиевых сплавов на скорость их коррозии при нагреве в воздушной атмосфере. Испытывались образцы 30х40 мм, вырезанных из полос толщиной 1,2 мм, изготовленных: из меди марки М1; сплава с 1,8% Ве и 0,3% Ni; сплава марки БрБ2,5 с 2,4% Ве и 0,5% Ni. Таблица 10. Увеличение массы при нагреве в воздушной атмосфере образцов из меди 
и меднобериллиевых сплавов * Средняя величина из 5 наблюдений. Из данных таблицы следует, что при 570˚С в течение 60 минут сплав марки БрБ2,5 окисляется в 29 раз меньше меди, а сплав с 1,8% Ве и 0,3% Ni – 4,4 раза. При 670˚С окисление за этот же период нагрева сплава марки БрБ2,5 в 12 раз меньше меди, а сплава с 1,8% Ве и 0,3% Ni – в 7 раз. Вывод: По комплексной устойчивости к коррозии в различных средах бериллиевая бронза показывает хорошие и очень хорошие результаты. Таким образом, приведенные экспериментальные данные по механической прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости позволяют считать бериллиевую бронзу одним из лучших материалов для опор скольжения эксплуатируемых в морской воде (насосное и буровое и прочее оборудование при разработке и эксплуатации шельфовых месторождений), пульпах содержащих абразивные и коррозионные вещества (материковые нефтегазовые, и другие месторождения), а также при изготовлении другого высоконадежного оборудования и машин.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗ, ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДАВЛЕНИЕМ Марка бронзы Плотность, г/см3 Температура плавления (ликвидус), 0С Температурный коэффициент линейного расширения,  К-1*10-6 Удельная тепло-емкость, Дж/кг *К Удельная теплопроводность, Вт/м *К Удельное электросопро-тивление, мкОм*м Низколегированные бронзы БрСр0,1 8,94 1084 17,6 380 390 0,01754 БрМг0,3 8,9 1076 17,6 380 240 0,02 БрХ1 8,89 1077 17,0 385 325 0,0216 БрКд1 8,89 1077 17,0 385 330 0,0196 Алюминиевые бронзы БрА5 8,17 1080 18,0 418 84 0,097 БрА7 7,75 1040 17,8 418 80 0,116 БрАЖ9-4 7,55 1040 17,0 418 71 0,123 БрАМц9-2 7,6 1036 17,0 418 71 0,11 БрАМц10-2 7,7 1036 17,0 418 71 0,11 БрАЖМц10-3-1,5 7,5 1090 17,0 418 67 0,12 БрАЖН10-4-4 7,7 1075 17,0 418 46 0,19 БрАЖНМц9-4-4-1 7,55 1075 17,0 418 46 0,19  Бериллиевые бронзы БрБ2 8,23 955 16,6 419 84 0,095-0,07 БрБНТ1,9 8,23 955 16,0 419 84 0,095-0,068 Кремнистые бронзы БрКН1-3 8,6 1070 18,0 377 188 0,046-0,083 БрКМц3-1 8,47 1025 18,0 377 22 0,215 Марганцевая бронза БрМц5 8,6 1035 21,0 377 42 0,164 Оловянно-фосфористые бронзы БрОФ4-0-0,25 8,9 1060 18,8 377 96 0,091 БрОФ6,5-0,15 8,85 1050 18,7 377 67 0,123 БрОФ6,5-0,4 8,85 1050 18,7 377 67 0,123 БрОФ7-0,2 8,8 1045 18,0 377 71 0,125 БрОФ8-0,3 8,8 1040 18,0 377 63 0,125 Оловянно-цинковая бронза БрОЦ4-3 8,8 1050 18,0 377 84 0,085 Оловянно-цинково-свинцовые бронзы БрОЦС4-4-2,5 8,8 1010 17,0 377 67 0,11 БрОЦС4-4-4

Характеристики и свойства бронзы

Бронзой называется сплав меди с другими элементами, в частности с оловом, алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими, кроме цинка и никеля. Сплав меди с цинком называется латунью, а с никелем – мельхиором. Не смотря на то, что состав бронзы содержит основной компонент (например, в сплаве меди и олова именно олово является основным компонентом), в любой бронзе также присутствуют добавки других элементов – цинка, свинца, фосфора и пр.

Бронзу человек научился изготавливать еще в 5 тысячелетии до нашей эры, что подтверждается многочисленными археологическими находками, к которым относятся, прежде всего, древние бронзовые изделия в виде украшений и различных предметов повседневного обихода. Самой первой бронзой являлся сплав меди и мышьяка – мышьяковистая бронза. Данный вид бронзы ничуть не уступал оловянной бронзе, а в некоторых случаях даже превосходил ее. Со временем к концу бронзового века на смену мышьяковистой бронзе постепенно стала приходить бронза оловянная, а также другие более дорогие ее сорта. Это происходило по нескольким причинам. Во-первых, мышьяковистая бронза обладала достаточно высокой токсичностью, что неизбежно приводило работающих с ней людей к инвалидности. Во-вторых, мышьяковистая бронза оказалась непригодной для металлургии – изделия из нее ломались, переплавке данный сплав не подлежал в связи с тем, что во время данного процесса некоторый процент мышьяка просто испарялся или выделялся в виде шлака, что приводило к повышенной хрупкости сплава и, как следствие, изделий из него. В лучшем случае, переплавленную мышьяковистую бронзу могли использоваться для бижутерии или неответственных деталей. Третьей причиной, по которой данный вид бронзы исчезал из обихода, являлась выработка поверхностно залегающих месторождений, которые были богаты медью и мышьяком. Мышьяк встречался значительно реже олова и некоторых других металлов, которые использовались для изготовления сплава, в связи с чем бронза с мышьяком была существенно выше в цене. Таким образом, когда появился первый гужевой транспорт, который послужил развитию международным экономическим связям, стало значительно рентабельнее привозить немышьяковые сорта бронзы, чем тратить средства на изготовление собственной мышьяковистой.

Свойства бронзы

На свойства и характеристики бронзы влияет состав сплава, который и определяет его разновидности.

По составу выделяют следующие типы бронзы:

• оловянные. Данные сплавы могут быть как двухкомпонентными, так и многокомпонентными, но, не смотря на это, все же олово остается вторым по массе элементом;
• безоловянные. Таковыми считаются все остальные виды бронзы, в составе которых отсутствует олово – алюминиевая, бериллиевая, кремниевая, свинцовая и пр. В зависимости от того, какой компонент присутствует в сплаве, бронза обретает те или иные конкретные свойства. Например, благодаря наличию бериллия в составе сплава материал становится исключительно упругим, а также износостойким. А вот присутствие кремния придает антифрикционные свойства.

Согласно области применения бронзы бывают:

• деформируемые, т.е. те, которые с легкостью подвергаются механической обработке – ковке, прокатке, резке и т.д.;
• литьевые. В данном случае для изготовления изделия используется исключительно литье. Это связано с тем, что обработка и деформация сплавов данного вида возможно только при воздействии на них очень высоких температур.

Структура бронзы позволяет классифицировать материал следующим образом:

• на однофазный, т.е. компонентами в твердом растворе образуется одна какая-то фаза. А данном материале максимальное процентное содержание олова составляет от 6% до 8%. Такая структура придает материалу эластичность, что позволяет ее обрабатывать путем ковки. Стоит отметить, что бронзу, в составе которой присутствует около 2% олова можно обрабатывать путем ковки на холоде без нагрева, а вот при процентном содержании олова до 8% без нагрева при ковке не обойтись;
• на двухфазный. Данный вид связан с появлением двух фаз в растворе, что имеет радикальное влияние на свойства материала. Если же процентное содержание олова в составе сплава значительно выше 15%, что является максимальным показателем растворимости, то в твердом растворе образуются две фазы. При этом, в отличие от однофазной структуры, материал становится совершенно нековким, а наоборот – приобретает твердость и хрупкость. Именно бронзу, имеющую двухфазную структуру, используются для отливки.

На сегодняшний день самым распространенным видом бронзы являются оловянные.

Основные технические характеристики бронзы:

• плотность бронзы. Имеет непостоянное значение, поскольку зависит от массовой доли олова в сплаве. Таким образом, если процентное содержание олова в материале составляет в пределах 8% – 4%, то плотность может колебаться от 8,6 кг/см³ до 9,1 кг/см³;
• температура плавления находится в пределах от 880⁰С до 1060⁰С и может изменяться в зависимости от состава сплава;
• средняя теплоемкость бронзы составляет 0,385 кДж;
• большинство бронз обладают достаточно низкой теплопроводностью, зачастую ниже, чем у меди – величина удельного электросопротивления составляет 0,087 – 0,176 мкОм*м;
• материал бронза обладает достаточно высокой устойчивостью к повреждению коррозией как на открытом воздухе, так и во влажной среде, поэтому скорость корродирования достаточно низкая – 0,002 мм/год на воздухе и 0,04 мм/год во влажной среде.

Основным материалом для производства бронзы являются металлы или сплавы. Вторые используются значительно чаще в силу своей относительно невысокой стоимости, а также возможности получения абсолютно любых литьевых бронз.

Применение бронзы

На сегодняшний день данный сплав нашел свое очень широкое применение. Это связано, в первую очередь, с наличием уникальных разнообразных свойств.

• бронза является основным материалом для изготовления различных скульптур, а также огромного количества декоративных предметов, к которым относятся статуэтки, пепельницы, светильники, решетки, украшения перил и многое другое. Из литьевой бронзы получают отливки, отличающиеся своей сложностью. Благодаря этому, можно получить, например, скульптуру, на которой будут переданы буквально поры кожи;
• ювелирное мастерство. Не смотря на то, что в данном деле сегодня бронза применяется несколько меньше, чем в других сферах человеческой деятельности, все же были времена, когда сплав являлся основным материалом для производства женских украшений;
• различная фурнитура. Из бронзы изготавливают накладные петли, замки, ручки, краны, смесители, а также сантехника. Это связано с такой особенностью бронзы, как долговечность и повышенная устойчивость к коррозии. Кроме этого, бронза позволяет все указанные предметы превратить в настоящие произведения искусства и сделать из них изящный элемент декора;
• литейная бронза используется для производства шестерней, втулок, уплотнителей, различной аппаратуры, эксплуатация которой проходит в среде повышенной влажности и под водой;

Все указанные выше области применения предполагают использование именно оловянной бронзы. Все остальные виды данного сплава уместно применять в тех сферах человеческой деятельности, где по каким-то причинам невозможно применить оловянную бронзу. Отличным примером этому является бериллиевая бронза, которая используется в электротехнике, поскольку она обладает значительно высшей теплопроводностью и электропроводностью, чем оловянная бронза.

Таким образом, следует сказать, что не смотря на то, что бронза является самым древним известным в истории человечества сплавом, благодаря своему разнообразию и уникальным свойствам нашел свое широкое применение и в современном мире.

цвет, плотность, удельный вес, маркировка, марки

Именно свойства бронзы определяют популярность этого хорошо известного материала, не снижающуюся уже на протяжении нескольких тысячелетий. В результате активного развития металлургической отрасли были разработаны различные марки данного сплава, каждая из которых отличается своими особенностями и сферами применения.

Бронзовый пруток в форме круга (кругляк) служит сырьём для производства крепежных элементов, подшипников и других деталей двигателей

Типы бронзовых сплавов

О том, насколько популярной была и остается бронза, говорит и тот факт, что целый период в истории человечества был назван бронзовым веком. Ученые считают, что само слово «бронза» обязано своим происхождением старому названию итальянского города Бриндизи, известного своими литейными мастерскими.

Изначально бронзу получали в процессе расплавления и смешивания таких металлов, как медь и олово. Из нее часто отливали колокола, поэтому она получила название «колокольная». Она также использовалась для изготовления оружия и орудий труда, различной домашней утвари, скульптурных композиций и предметов интерьера.

Статуэтки из бронзовых сплавов изготавливаются по технологии художественного литья

На многих старинных фото можно увидеть интерьерные изделия из бронзы, которые и сейчас поражают своей красотой. С развитием металлургической промышленности появились и другие виды бронзы, в которые вместо олова стали вводить алюминий, железо, бериллий, кремний, цинк, свинец, фосфор и др.

Изменение традиционного химического состава бронзы позволило не только улучшить ее механические свойства (твердость, прочность, износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред), но и изменить ее цвет. Так, цвет поверхности бронзовых изделий может варьироваться от красного (если в бронзе содержится большое количество меди) до серого и даже черного. Изменение цвета данного сплава при варьировании его химического состава является очень важным его свойством при изготовлении изделий декоративного назначения.

Цвет бронзового проката зависит от содержащихся в нём химических элементов

Многие путают бронзу с латунью, хотя это совсем другой медный сплав с другими свойствами, в химическом составе которого, кроме основного металла, присутствует цинк. Хотя по цвету латунь можно спутать с некоторыми марками бронзы, по многим из своих характеристик это разные материалы, поэтому и сферы их применения различаются.

Еще один распространенный сплав меди, основным легирующим элементом которого является никель, – это мельхиор. Поверхность изделий из него отличается красивым серебристым цветом. Мельхиор активно используется для чеканки монет и изготовления столовых приборов.

В зависимости от того, содержится в бронзе олово или нет, она может относиться к оловянному или безоловянному типу.

Если говорить о бронзах первого типа, то максимальное количество олова в их химическом составе может доходить до 33%. Увеличение содержания олова несколько снижает удельный вес и плотность основного металла, но увеличивает такие свойства итогового материала, как твердость и прочность. Кроме того, с увеличением олова в составе бронзы цвет изделий, которые из нее изготовлены, становится светлее, что заметно даже по их фото. Кроме олова, которое также снижает температуру плавления готового сплава, в химическом составе такого металла могут содержаться и другие химические элементы – мышьяк, свинец, цинк и др.

Химический состав оловянных бронз

Если говорить о безоловянных бронзах, удельный вес и плотность которых незначительно отличаются от аналогичных характеристик сплавов первого типа, то по многим из своих механических свойств они могут превосходить не только оловянные бронзы, но и некоторые марки стали. Естественно, что и цвета изделий, изготовленных из таких сплавов, могут серьезно разниться.

Химический состав безоловянных бронз (нажмите для увеличения)

Теплопроводность и другие характеристики бронзы

Как уже говорилось выше, процентное содержание основного легирующего элемента в химическом составе бронзы меняет не только ее цвет, но и механические свойства. При этом плотность и удельный вес, если сравнивать их с аналогичными характеристиками материалов других марок, меняются незначительно. Такая закономерность актуальна не только для бронзы, но и для латуни, а также для других медных сплавов.

Если говорить о бронзах оловянного типа, то такое их свойство, как пластичность, начинает снижаться в том случае, если процентное содержание олова в них превышает 5%. Если же содержание олова довести до 20%, то одновременно со снижением твердости увеличится и хрупкость такого материала. Именно поэтому для выполнения литейных операций и обработки металла методом пластической деформации можно использовать только ту бронзу, в которой содержится не более 6% олова.

Физические свойства оловянных бронз

В химический состав отдельных марок бронзы водят цинк, содержание которого может доходить до 10%. Такое легирование практически не меняет удельный вес и плотность металла, а также не оказывает значительного влияния на его механические свойства, но удешевляет его стоимость.

Чтобы улучшить такое свойство бронзы, как обрабатываемость резанием (в частности, облегчить процесс ломания стружки), в нее вводят незначительное количество свинца (до 5%). Фосфор, присутствующий в некоторых марках бронзы, которые и называются фосфористыми, выступает в них в качестве раскислителя.

Физические свойства кремнистых, бериллиевых и марганцевой бронз

Важным свойством бронзы, в которой содержится олово, является минимальный коэффициент усадки. По большинству остальных характеристик бронзы безоловянного типа превосходят оловянные. Так, сплавы, основным легирующим элементом в которых является алюминий, отличаются улучшенными механическими свойствами, а также более устойчивы к воздействию даже очень агрессивных сред. Сплавы, в которых медь смешана с кремнием и цинком, отличаются высокой текучестью в расплавленном состоянии, что предопределило сферу их применения – изготовление различных предметов методом литья. Бронзы с содержанием бериллия – это прочные и твердые материалы, изделия из которых также отличаются высокой упругостью.

Физические характеристики алюминиевых бронз

При смешивании меди с легирующими добавками, что происходит при создании бронзы, снижается такое свойство основного металла, как теплопроводность. В частности, те химические элементы, которые используются при изготовлении бронзы, делают ее теплопроводность даже ниже, чем у другого медного сплава – латуни. Исключение составляют лишь те марки бронз, в которых содержание меди очень значительно.

Такое свойство большинства марок бронз, как невысокая теплопроводность, несколько ограничивает сферу их применения. Из-за того, что они не очень хорошо отводят тепло, изделия из них не используют в сильно нагруженных узлах трения, из таких бронз не делают сварочные электроды, а также элементы механизмов, которые должны обеспечивать оперативный отвод тепла.

Сферы применения и правила маркировки

Разнообразие сфер применения бронзы объясняется ее уникальными свойствами. Современный ассортимент ее марок позволяет оптимально подбирать их для решения тех или иных технологических задач.

Сферы применения оловянных бронз

Из бронзовых сплавов различных марок производят элементы зубчатых, винтовых и червячных соединений, детали, подвергаемые в процессе эксплуатации значительному трению, электротехнические и сантехнические изделия, различные мембраны, пружины, соединительные элементы. Кроме того, из бронзы делают корпусные детали различного оборудования, ее используют в судо- и автомобилестроении и даже в аэрокосмической промышленности. Издавна из бронзы изготавливали интерьерные композиции, скульптуры, сейчас ее применяют также при производстве мебельной фурнитуры, сантехники и различных декоративных предметов.

Области применения безоловянных литейных бронз

Только очень опытные специалисты способны даже по фото бронзового изделия определить, из какой марки сплава оно изготовлено. А решить такую задачу непрофессионалам помогает маркировка, состоящая из буквенно-цифрового обозначения. В нем всегда присутствуют буквы «Бр», которые и свидетельствует о том, что перед вами именно бронза. Кроме того, в маркировке есть и другие буквы, каждая из которых обозначает химический элемент, который входит в состав бронзового сплава. При этом процентное содержание меди в маркировке не указывается, его можно определить, если отнять от 100% (весь объем бронзы) суммарное количество остальных элементов.

Пример маркировки бронзового сплава

Маркировка бронзового сплава, кроме подробностей его химического состава, позволяет определить и основные свойства, которыми он обладает. К таким свойствам, в частности, относятся плотность материала, а также его удельный вес. Данная информация имеет чисто практическое значение. Зная удельный вес, которым обладает определенный бронзовый сплав, можно без особого труда рассчитать точный вес предмета, который из него изготовлен.

Все подобные сведения, как и точный химический состав бронзы различных марок, содержится в специальных таблицах.

Оценка статьи:

Загрузка…

Поделиться с друзьями: