Бронзы безоловянные литейные

Бронзовые вентили

Ранее бронзами называли только сплавы Cu с Sn, т.е. по современной терминологии — оловянные бронзы. В настоящее время название бронзы расширено и охватывает все сплавы на основе меди, за исключением сплавов меди с цинком (латуни) и с никелем (медноникелевые сплавы). Бронзы безоловянные литейные (tin-free foundry bronzes) на современном этапе представляют собой сплавы на основе меди, где основным легирующим элементом является алюминий (алюминиевые бронзы), свинец  (свинцовые бронзы) или сурьма (сурьмянистые бронзы).

Классификация безоловянных бронз

  1. По способу обработки оловянные бронзы подразделяются на:
    • Литейные безоловянные бронзы (с хорошими литейными свойствами
    • Деформируемые оловянные бронзы (поддающиеся обработке давлением
  2. По содержанию легирующих компонентов безоловянные бронзы подразделяются на:
    • двойные бронзы (состоящие только из 2-х компонентов);
    • многокомпонентные бронзы, включающие в своем составе кроме меди и основного легирующего элемента, еще другие легирующие элементы.
  3. По основному легирующему элементу:
    1. Алюминиевые бронзы (литейные и деформируемые);
    2. Свинцовые бронзы (литейные и деформируемые);
    3. Сурьмянистые бронзы (литейные и деформируемые);
    4. Кремниевые бронзы (деформируемые);
    5. Марганцевые бронзы (деформируемые).

Литейные алюминиевые бронзы

Литейные алюминиевые бронзы представляют собой сплав на основе меди, предназначенный для изготовления отливок, в котором основным легирующим элементом является алюминий.

СПРАВКА

Алюминиевые бронзы разработаны в начале ХХ века с целью замены дорогостоящих оловянных бронз. В Украине используются с 30-х годов минувшего века. Постепенно они вытесняют оловянные бронзы, т.к. по многим показателям не уступают им, а по некоторым превосходят их.

Преимущества алюминиевых бронз в сравнении с оловянными бронзами: [6]

  1. Меньшая склонность к дендритной ликвации
  2. Более высокая плотность отливок
  3. Лучшая жидкотекучесть
  4. Более высокие прочность и жаропрочность
  5. Более высокие коррозионная и противокавитационная стойкость
  6. Меньшая склонность к хладноломкости
  7. Не дают искр при ударе

Диаграмма равновесного состояния Cu-Al

Рис. 1: Диаграмма равновесного состояния Cu-Al

Микроструктура и фазовые превращения протекающие при охлаждении, кристаллизации и остывании алюминиевых бронз описываются диаграммой состояния Cu-Al (рис. 1), из которой видно, что растворимость Al в Cu при температуре 1035°С составляет 7,4%; при температуре 565°С — 9,4%; при комнатной температуре — порядка 9%, что является отклонением, т.к. обычно растворимость должна падать при снижении температуры. β-фаза, представляющая собой твердый раствор на основе соединения Cu3Al, при температуре 565°С претерпевает эвтектоидный распад β→α+γ2. Фаза γ2 также является твердым раствором на основе интерметаллида и обладает высокой твердостью и низкой пластичность. Из-за ликвационных явлений ее появление в производственных условиях наблюдается уже при содержании 8% Al в сплаве (ранее чем следует из диаграммы равновесного состояния), что ведет к увеличению прочности σB (которая достигает своего максимума при содержании ~11% Al в сплаве) и одновременному резкому снижению пластичности δ (см. рис. 2). Таким образом, оптимальное содержание Al в 2-х бронзах составляет 6-9%.

Влияние содержания Al на мехсвойства алюминиевых бронз

Рис. 2: Влияние содержания Al на мехсвойства алюминиевых бронз

Алюминиевые бронзы обладают рядом недостатков: [6]

  1. Значительная усадка при кристаллизации
  2. Склонность к образованию при кристаллизации крупных столчатых кристаллов в связи с узким температурным интервалом кристаллизации (Δt=46°С)
  3. Сильное окисление в расплавленном состоянии, при котором образуются окислы алюминия; окисные пленки Al2O3 служат причиной шиферного излома в деформированных полуфабрикатах
  4. Вспенивание расплава при заливке в форму
  5. Трудность пайки твердыми и мягкими припоями
  6. Недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре

Для устранения этих недостатков алюминиевые бронзы легируют Mn, Fe, Ni, Pb:

  • Fe — повышает прочность при одновременном снижении пластичности, сильно измельчает зерно при кристаллизации, замедляет эвтектоидный распад β-фазы препятствуя развитию хрупкости. Оптимальное содержание железа в алюминиевых бронзах 1-4%. Для измельчения зерна кроме добавок железа алюминиевые бронзы подвергают микролегироваю бором (0,02%), ниобием и ванадием.
  • Mn — хорошо растворим в алюминиевых бронзах, повышает коррозионную стойкость, прочность и пластичность.
  • Zn — снижает технологические свойства.
  • Ni — образует фазы Ni3Al и NiAl с переменной растворимостью в твердом состоянии, в результате чего алюминиевая бронза с добавкой никеля становится способной к дисперсионному твердению. К примеру, БрА10Ж4Н4Л после закалки при 980°С и старения при 400°С в течение 2-х часов, повышает твердость со 170 НВ до 400 НВ, а σB достигает значения 700 МПа.
  • Pb — не растворяется в алюминиевых бронзах, образуя включения почти чистого свинца, которые снижают прочность и коррозионную стойкость, но существенно повышают антифрикционные свойства.

Из алюминиевых литейных бронз производят литые заготовки ответственных тяжелонагруженных деталей с повышенными антифрикционными свойствами (червячные шестерни, втулки, вкладыши) или деталей, работающих в условиях повышенной коррозии (детали химической промышленности или судостроения), арматуры ответственного назначения.

Литейная свинцовая бронза

Свинцовая бронза — сплав на основе меди, в котором основным легирующим элементом является свинец. ГОСТ 493-79 предусматривает одну марку литейной свинцовой бронзы БрС30, которая не имеет классической структуры подшипникового сплава, отвечающей правилу Шарпи для антифрикционных сплавов — пластичная основа, в которой залегают изолированные друг от друга наиболее твердые вкрапления. В бронзе БрС30 свинец не образует пластичной матрицы, а присутствует в виде включений свинца на границах зерен меди. Не смотря на это, свинцовая бронза обладает высокими антифрикционными свойствами, т.к. Cu сама достаточно пластична, чтобы обеспечить хорошую прирабатываемость. Ко всему прочему, теплопроводность свинцовой бронзы в 4-ре раза выше оловянных подшипниковых бронз, что обеспечивает эффективный отвод тепла, возникающий при трении. Свинцовая бронза характеризуется небольшим коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, способностью выдерживать достаточно высокие нагрузки, в т.ч. ударные, высокой коррозионной стойкостью

Свинцовые бронзы применяют для изготовления нагруженных подшипников, сальников и антифрикционных деталей. Свинцовые бронзы находят все более широкое применение в связи с дефицитностью и дороговизной олова.

Литейная сурьмянистая бронза

Сурьмянистая бронза — сплав на основе Cu, где основным легирующим элементом выступает Sb. Среди литейных безоловянных бронз ГОСТ 493-79 предусматривает одну марку БрСу3Н3Ц3С20Ф, структура которой представлена двумя фазами: α-фаза — твердый раствор Cu, Sb и Ni; β-фаза состоит из металлического соединения Cu2Sb, играет роль твердой составляющей. Наличие в сурьмянистой бронзе 2-х фаз с различной твердостью (правило Шарпи) придает сплаву высокие антифрикционные свойства, которые значительно усиливает присутствующий в сплаве Pb. Легтрование Ni, Zn и P повышает механические свойства и коррозионную стойкость бронзы.

Сурьмянистую бронзу применяют вместо оловянной бронзы для изготовления подшипников, червячных колес, шестерен и других трущихся деталей.

Стандарты

Технические характеристики безоловянных литейных бронз, предназначенных для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 493-79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки».

Маркировка

Бронзы безоловянные литейные маркируют буквами Бр, за которыми указывают основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве, к примеру, БрА10Ж4Н4Л — безоловянная алюминиевая литейная бронза с массовой долей (в среднем): алюминия 10%, железа 4% и никеля 4%, при этом алюминий в бронзах маркируют буквой А, марганец — Мц, железо — Ж, никель — Н, свинец — С, цинк — Ц, фосфор — Ф, сурьма — Су.

Химический состав

Марки и химический состав безоловянных литейных бронз должены удовлетворять требованиям ГОСТ 493-79, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Марки и химический состав безоловянных литейных бронз по ГОСТ 493-79

Марка Массовая доля, %
Основные компоненты
Al Fe Mn Ni Pb P Zn Sb Cu
БрА9Мц2Л 8,0-9,5 1,5-2,5 О
с
т
а
л
ь
н
о
е
БрА10Мц2Л 9,6-11,0 1,5-2,5
БрА9Ж3Л 8,0-10,5 2,0-4,0
БрА10Ж3Мц2 9,0-11,0 2,0-4,0 1,0-3,0
БрА10Ж4Н4Л 9,5-11,0 3,5-5,5 3,5-5,5
БрА11Ж6Н6 10,5-11,5 5,0-6,5 5,0-6,5
БрА9Ж4Н4МЦ1 8,8-10,0 4,0-5,0 0,5-1,2 4,0-5,0
БрС30 27,0-31,0
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 6,6-7,5 2,5-3,5 14,0-15,5 1,5-2,5 1,5-2,5
БрСу3Н3Ц3С20Ф 3,0-4,0 18,0-22,0 0,15-0,3 3,0-4,0 3,0-4,0

Таблица 1: продолжение

Марка Массовая доля, %
Примесей, не более
As Sb Sn Si Al Ni Pb P Fe Zn Mn
БрА9Мц2Л 0,05 0,05 0,2 0,2 1,0 0,1 0,1 1,0 1,5 2,8
БрА10Мц2Л 0,05 0,05 0,2 0,2 1,0 0,1 0,1 1,0 1,5 2,8
БрА9Ж3Л 0,05 0,05 0,2 0,2 1,0 0,1 0,1 1,0 0,5 2,7
БрА10Ж3Мц2 0,01 0,05 0,1 0,1 0,5 0,3 0,01 0,5 1,0
БрА10Ж4Н4Л 0,05 0,05 0,2 0,2 0,05 0,1 0,5 0,5 1,5
БрА11Ж6Н6 0,05 0,05 0,2 0,2 0,05 0,1 0,6 0,5 1,5
БрА9Ж4Н4МЦ1 0,05 0,05 0,2 0,2 0,05 0,03 1,0 1,2
БрС30 0,1 0,3 0,1 0,02 0,5 0,1 0,25 0,1 0,9
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 0,05 0,05 0,1 0,1 0,05 0,02 C
0,05
0,5
БрСу3Н3Ц3С20Ф 0,1 Bi
0,025
0,5 0,02 0,02 0,3 0,9

Примечания:

  1. Примеси, которые не регламентируются настоящим стандартом, входят в общую сумму примесей.
  2. По требованию потребителя в бронзе марки БрСуЗНЗЦ3С20Ф допускается массовая доля сурьмы 3,4−4,5%, никеля 4,5−6,0% и фосфора 0,25−0,4%.

Механические свойства и область применения

Механические свойства оловянных литейных бронз (в литом состоянии, без термической обработки) должны удовлетворять требованиям ГОСТ 493-79, приведенным в табл. 2.

Таблица 2: Механические свойства оловянных литейных бронз и область их применения

Марка Способ литья Временное сопротивление разрыву σВ
МПа,
(кгс/мм2)
Относи-
тельное удлинение δ, %
Твердость по Бринеллю, НВ, МПа (кгс/мм2) Применяемость
не менее
БрА9Мц2Л К
П
392 (40)
392 (40)
20
20
784 (80)
784 (80)
Антифрикционные детали, детали арматуры, работающие в пресной воде, жидком топливе и в паре при температуре до 250°C
БрА10Мц2Л К
П
490 (50)
490 (50)
12
12
1078 (110)
1078 (110)
БрА9Ж3Л К
П
490 (50)
392 (40)
12
10
980 (100)
980 (100)
Арматура, антифрикционные детали
БрА10Ж3Мц2 К
П
490 (50)
392 (40)
12
10
1176 (120)
980 (100)
БрА10Ж4Н4Л К
П
587 (60)
587 (60)
6
5
1666 (170)
1568 (160)
Детали химической и пищевой промышленности, а также детали, работающие при повышенных температурах
БрА11Ж6Н6 К
П
587 (60)
587 (60)
2
2
2450 (250)
2450 (250)
Арматура, антифрикционные детали
БрА9Ж4Н4Мц1 К
П
587 (60)
587 (60)
12
12
1568 (160)
1568 (160)
Арматура для морской воды
БрС30 К 58,7 (6) 4 245 (25) Антифрикционные детали
БрСу3Н3Ц3С20Ф К 157 (16) 2 637 (65) Антифрикционные детали
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 П 607 (62) 18 Антифрикционные детали

Примечание:

  • Условные обозначения способов литья: К — кокильное литье, П — литье в песчаную форму.
  • В марке БрАЭЖЗЛ при литье в кокиль допускается относительное удлинение не менее 6%, если твердость НВ превышает 1568 МПа (160 кгс/см2).

Производители литья из безоловянных бронз

Литература

  1. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. Бобылев А.В. М., «Металлургия», 1980. 296 с.
  2. Воздвиженский В.М. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1984. — 432 с., ил
  3. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М. Машиностроение, 1988. — 272 с.: ил.
  4. Энциклопедия неорганических материалов. В двух томах. К.: Высшая школа, 1977.
  5. ГОСТ 493-79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки».
  6. Колачев Б.Ф., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Металлургия, 1981. 416 с.

Статьи по теме

Об авторе

Avatar
Олег Виноградов / http://on-v.com.ua/

Технический директор ООО «Полимер-инжиниринг», Агентства Литье ++, г. Киев, Украина; т.: +38 (096) 574-17-11; e-mail: v@on-v.com.ua