Бронзы оловянные литейные

Бронзы оловянные литейные (tin foundry bronzes) — класс бронз с Sn в качестве основного легирующего компонента. Отличаются хорошими механическими свойствами, мало чувствительны к перегреву и газам, легко свариваются и паяются. В связи с диффицитностью и дороговизной олова их легируют Zn, Pb, P, Ni.

Классификация оловянных бронз

1. По способу обработки оловянные бронзы подразделяются на:
   • Литейные оловянные бронзы (с хорошими литейными свойствами) — характеризуются высокими антифрикционными свойствами, хорошей жидкотекучестью, малым коэффициентом линейной усадки, высокой коррозионной стойкостью в морской воде, влажном и сухом паре. Механические свойства (в среднем) находятся в следующих пределах: предел прочности на растяжение 20-35 кгс/мм², относительное удлинение 3-35%, твердость 60-80 НВ. К недостаткам данных бронз можно отнести: склонность к образованию рассредоточенной усадочной пористости, что затрудняет получение плотного литья и подверженность ликвации.
   • Деформируемые оловянные бронзы (поддающиеся обработке давлением) достаточно пластичны, хорошо поддаются обработке давлением. Механические свойства (в среднем) находятся в следующих пределах: предел прочности на растяжение 30-80 кгс/мм², относительное удлинение 4-60%, твердость 60-200 НВ.
2. По содержанию легирующих компонентов оловянные бронзы подразделяются на:
   • двойные или простые бронзы (состоящие только из 2-х компонентов: меди и олова);
   • многокомпонентные или специальные бронзы, включающие в своем составе кроме меди и олова, другие легирующие элементы.
3. По назначению литейные оловянные бронзы подразделяются на несколько групп:
   1. литейные стандартные бронзы предназначенные для получения разных деталей машин методом фасонного литья;
   2. литейные нестандартные бронзы (ответственного назначения), обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением к истиранию, которые применяют для изготовления подшипников скольжения, работающих в условиях трения. Непременный легирующий элемент этих сплавов — Pb, который улучшает антифрикционные свойства бронз, образуя в них мягкую составляющую.
   3. сплавы для художественного литья (БХ1, БХ2, БХ3) — обладают: высокой жидкотекучестью (хорошо заполняя сложные формы) и незначительной усадкой, что позволяет в отливке получать качественный отпечаток. Бронза отличается красивым цветом, сохраняющимся длительное время благодаря высокой коррозионной стойкости. Под воздействием естественной среды на поверхности отливок образуется патина — тончайшая окисная пленка различных цветовых оттенков (от зеленого до темно-коричневого), придающая бронзовым скульптурам ровную благородную окраску.

Структура и свойства оловянных бронз

Структура и свойства оловянных бронз определяются диаграммой состояния Cu-Sn (см. рис. 2). В производственных условиях неравновесная β-фаза (твердый раствор на основе интерметаллоида Cu₃Sn) в структуре литых сплавов выделяется при концентрации олова 8%, вместо 13,5% как показано на диаграмме состояния (рис. 2). При дальнейшем охлаждении до 586°С она испытывает эвтектоидный распад β→α+γ, который при дальнейшем охлаждении до 520°С сменяется превращением γ→α+δ. Третье эвтектоидное превращение δ→α+ε при 350°С не реализуется даже при довольно медленном охлаждении, сплавы ведут себя таким образом, что растворимость олова в меди якобы равняется 8%.

Суммируя сказанное, можно констатировать, что структура оловянных бронз содержащих менее 8% Sn, представляет собой α-твердый раствор дендритного  строения с неравномерным распределением компонентов (из-за сильно развитой дендритной ликвации состав зерен в центре обеднен Sn и обогащен им на стыке дендритных ветвей). Структура оловянных бронз с содержанием олова более 8%, представлена первичными кристаллами α-фазы и эвтектоидом α+δ, который состоит из светлых, слегка голубоватых кристаллов δ-фазы — Cu₃Sn₈, внутри которых залегают темные включения α-раствора.

Появление в структуре оловянной бронзы эвтектоида, содержащего твердую интерметаллическую фазу Cu₃Sn₈ влечет за собой увеличение прочности и твердости сплава до максимума при 20-25%Sn (см. рис. 3). Пластичность сплавов с увеличением содержания олова возрастает, достигая предела при 5-7%Sn, после чего резко снижается. По этой причине содержание олова в стандартных литейных оловянных бронзах ограничивается 10%  Sn.

Оловянные бронзы характеризуются широким температурным интервалом кристаллизации (Δtкр~180°С). По этой причине они отличаются умеренной жидкотекучестью и образуют при кристаллизации значительную усадочную пористость, при этом, образуется очень небольшая концентрированная усадочная раковина. Как следствие, герметичность отливок из оловянных бронз — не высокая. Линейная усадка оловянных бронз самая низкая среди всех сплавов: 0,8% при литье в песчано-глинистые формы и 1,4% при литье в кокиль. Указанные литейные свойства позволяют получать из оловянистых бронз крупные фасонные отливки с четкой воспроизведением отпечатка формы, отливки с резкими переходами от тонких к толстым сечениям, высококачественное художественное литье.

Влияние легирующих элементов

Для повышения прочностных характеристик и литейных технологических свойств литейных оловянных бронз, сплавы легируют упрочняющими элементами, которые оказывают следующее воздействие:

1. Sn — повышает твердость, прочность, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства; снижает относительное удлинение, ударную вязкость и плотность.
2. Zn — улучшает технологические свойства сплава: уменьшает линейную усадку, склонность к газопоглащению и образованию раковина при увеличении содержания в сплаве до 5%, повышает прочность, жидкотекучесть, уменьшает плотность; при содержании более 5%, снижает коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, повышает герметичность.
3. Pb — повышает плотность, улучшает антифрикционные свойства, обрабатываемость резанием, коррозионную стойкость в некоторых средах, снижает пластичность.
4. P — раскисляет и рафинурует сплав, повышает жидкотекучесть, коррозионную стойкость, износостойкость, прочность, антифрикционные свойства.
5. Ni — измельчает микроструктуру, повышает прочность и плотность, улучшает антифрикционные свойства и коррозионную стойкость; снижает пластичность; способствует изотропности свойств в различных сесчениях отливки.

Влияние примесей

1. Al — снижает жидкотекучесть, механические свойства, коррозионную стойкость.
2. Fe — снижает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость, уменьшает пластичность и плотность, резко снижает коррозионную стойкость.
3. Si — снижает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость, уменьшает пластичность и плотность, резко снижает коррозионную стойкость.
4. S — снижает механические свойства.
5. Mn — снижает механические свойства.
6. Sb — снижает прочность и пластичность.
7. Bi — снижает прочность и пластичность.
8. As — снижает прочность и пластичность.

Таким образом, наиболее вредными являются примеси Al, Fe, Si, которые снижают пластичность, а Al, ко всему прочему, повышает крупность структуры и пористость.

Стандарты

Технические характеристики оловянных литейных бронз, предназначенных для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 613-79 «Бронзы оловянные литейные. Марки».

Маркировка

Бронзы оловянные литейные маркируют буквами Бр, за которыми указывают основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве, к примеру, БрО5Ц5С5 — оловянная литейная бронза с массовой долей (в среднем): олова 5%, цинка 5% и свинца 5%, при этом олово в бронзах маркируют буквой О, цинк — Ц, свинец — С, никель — Н, фосфор — Ф.

Химический состав

Марки и химический состав оловянных литейных бронз должены удовлетворять требованиям ГОСТ 613-79, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Марки и химический состав оловянных литейных бронз для отливок по ГОСТ 613-79

Марка	Массовая доля, %
	Основных компонентов
	Sn	Zn	Pb	P	Ni	Cu
БрО3Ц12С5	2,0-3,5	8,0-15,0	3,0-6,0	—	—	О с т а л ь н о е
БрО3Ц7С5Н1	2,5-4,0	6,0-9,5	3,0-6,0	—	0,5-2,0
БрО4Ц7С5	3,0-5,0	6,0-9,0	4,0-7,0	—	—
БрО4Ц4С17	3,5-5,0	2,0-6,0	14,0-20,0	—	—
БрО5Ц5С5	4,0-6,0	4,0-6,0	4,0-6,0	—	—
БрО5С25	4,0-6,0	—	23,0-26,0	—	—
БрО6Ц6С3	5,0-7,0	5,0-7,0	2,0-4,0	—	—
БрО8Ц4	7,0-9,0	4,0-6,0	—	—	—
БрО10Ф1	9,0-11,0	—	—	0,4-1,1	—
БрО10Ц2	9,0-11,0	1,0− 3,0	—	—	—
БрО10Ц10	9,0-11,0	—	8,0-11,0	—	—

Таблица 1: продолжение

Марка	Массовая доля, %
	Примесей, не более
	Zn	Pb	Al	Fe	Si	P	Sb	∑
БрО3Ц12С5	—	—	0,02	0,4	0,02	0,05	0,5	1,3
БрО3Ц7С5Н1	—	—	0,02	0,4	0,02	0,05	0,5	1,3
БрО4Ц7С5	—	—	0,05	0,4	0,05	0,1	0,5	1,3
БрО4Ц4С17	—	—	0,05	0,4	0,05	0,1	0,5	1,3
БрО5Ц5С5	—	—	0,05	0,4	0,05	0,1	0,5	1,3
БрО5С25	0,5	—	0,02	0,2	0,02	0,05	0,5	1,2
БрО6Ц6С3	—	—	0,05	0,4	0,02	0,05	0,5	1,3
БрО8Ц4	—	0,5	0,02	0,3	0,02	0,05	0,3	1,0
БрО10Ф1	0,3	0,3	0,02	0,2	0,02	—	0,3	1,0
БрО10Ц2	—	0,5	0,02	0,3	0,02	0,05	0,3	1,0
БрО10Ц10	0,5	—	0,02	0,2	0,02	0,05	0,3	0,9

Примечания:

1. В бронзах марок БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО8Ц4 и БрО10Ц2 сумма примесей Si и Al не должна превышать 0,02%. В бронзах, не предназначенных для отливки деталей, работающих под гидравлическим давлением, по согласованию изготовителя с потребителем допускается массовая доля алюминия до 0,05% и кремния — до 0,05%.
2. В пределах общей суммы примесей допускается содержание примесей: As — до 0,15%, Mg — до 0,02%, серы — до 0,05%.
3. Массовая доля Ni во всех марках, кроме БрО3Ц7С5Н1, допускается до 2,0% за счет меди и в общую сумму примесей не входит.
4. Массовая доля Pb в бронзах марок БрО10Ц2 и БрО8Ц4 по согласованию изготовителя с потребителем допускается до 1,5% и в общую сумму примесей не входит.
5. В отливках из бронз марок БрО10Ц2 и БрО8Ц4, предназначенных для сварных конструкций, массовая доля свинца должна быть не более 0,05%.
6. По согласованию изготовителя с потребителем в бронзе марки БрО10Ц10 допускается массовая доля фосфора до 1,0%.
7. Примеси, не регламентируемые ГОСТ 613-79, входят в общую сумму примесей.

Механические свойства и область применения

Механические свойства оловянных литейных бронз (в литом состоянии, без термической обработки) должны удовлетворять требованиям ГОСТ 613-79, 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
БрО3Ц12С5	К П	206 (21) 176,2 (18)	5 8	588 (60) 588 (60)	Арматура общего назначения
БрО3Ц7С5Н1	К П	206 (21) 176,2 (18)	5 8	588 (60) 588 (60)	Детали, работающие в масле, паре и в пресной воде
БрО4Ц7С5	К П	176,2 (18) 147 (15)	4 6	588 (60) 588 (60)	Арматура, антифрикционные детали
БрО4Ц4С17	К П	147 (15) 147 (15)	12 5	588 (60) 588 (60)	Антифрикционные детали
БрО5Ц5С5	К П	176,2 (18) 147 (15)	4 6	588 (60) 588 (60)	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников
БрО5С25	К П	137,2 (14) 147 (15)	6 5	588 (60) 441 (45)	Биметаллические подшипники скольжения
БрО6Ц6С3	К П	176,2 (18) 147 (15)	4 6	588 (60) 588 (60)	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников
БрО8Ц4	К П	196 (20) 196 (20)	10 10	735 (75) 735 (75)	Арматура, фасонные части трубопровода, насосы, работающие в морской воде
БрО10Ф1	К П	245 (25) 215,5 (22)	3 3	822 (90) 784 (80)	Узлы, трения арматуры, высоконагруженные детали шнековых приводов, нажимные и шпиндельные гайки, венцы червячных шестерен
БрО10Ц2	К П	225 (10) 215,5 (22)	10 10	735 (75) 637 (65)	Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников, детали трения и облицовки гребных валов
БрО10Ц10	К П	196 (20) 176,2 (12)	6 7	735 (78) 637 (65)	Подшипники скольжения, работающие в условиях высоких удельных давлений

Примечание: Условные обозначения способов литья:

• К — кокильное литье;
• П — литье в песчаную форму.

Производители литья из оловянных бронз

• Украинские производители отливок из оловянных 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 613-79 «Бронзы оловянные 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.