Бронзы оловянные литейные

Бронзовая скульптура из захоронения фараонов (3500 лет), Лувр (Париж)

Рис. 1: Бронзовая скульптура из захоронения фараонов (3500 лет), Лувр (Париж)

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.

СПРАВКА

Бронзу применяли в глубокой древности, за 3000 лет до н.э. (см. рис. 1). Учитывая высокое влияние данного материала на развитие производства и общества, в истории ей отведена целая эпоха — «бронзовый век» (конец 4-го — начало 1-го тысячелетия до н.э.).

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

Диаграмма состояния Cu-Sn

Рис. 2: Диаграмма состояния Cu-Sn

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.

Влияние Sn на мехсвойства оловянных бронз

Рис. 3: Влияние Sn на мехсвойства оловянных бронз

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

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.

Статьи по теме

Об авторе

Avatar
Олег Виноградов / https://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