7.3. Бронзы

7.3. Бронзы

Сплавы меди со всеми металлами, кроме цинка, называют бронзами. В ювелирной промышленности в основном используются оловянистые бронзы (сплавы системы Си – Sn), обладающие высокими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая усадка), достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью и имеющие красивый желтоватый цвет. Применение находят сплавы меди, содержащие до 5 % олова. Кроме того, используются алюминиевые и кремниевые бронзы.

Диаграмма состояния медь – олово приводится на рис. 6.3.

В сплавах системы Си – Sn образующие фазы следующие:

?-фаза – твердый раствор замещения олова в меди, имеющий гранецентрированную кубическую решетку;

?-фаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu3Sn8;

?-фаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu31Sng, образующийся при перитектической реакции между жидким сплавом и ?-фазой;

?-фаза – электронное соединение Cu3Sn;

?-фаза – химическое соединение Cu6Sn5.

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Си – Sn.

Предельная растворимость олова в меди – 15,8 %. При содержании олова более 15,8 % в структуре сплавов образуется эвтектоид (а + ?), где ?-фаза – электронное соединение Gu3Sn8 со сложной кубической решеткой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью, вызывает резкое снижение вязкости и пластичности. Практическое применение имеют бронзы с содержанием олова до 10 %. Двойные оловянистые бронзы применяются редко ввиду большой склонности к дендритной ликвации, низкой жидкотекучести, рассеянной усадочной пористости и в связи с этим невысокой герметичностью отливок. Деформируемые бронзы содержат до 6–8 % Sn. Они имеют в равновесном состоянии однофазную структуру ?-твердого раствора. В условиях неравновесной кристаллизации наряду с ?-твердым раствором может образовываться небольшое количество |3-фазы.

Для улучшения литейных свойств оловянистых бронз в них вводят цинк и свинец и как раскислитель фосфор. Кроме повышения жидкотекучести, уменьшения усадочной пористости замена части олова цинком и свинцом снижает стоимость сплава.

Кроме цинка и свинца в некоторые бронзы вводят никель. Это улучшает декоративные свойства бронзы, придавая ей красивый серебристый цвет. Ювелирные бронзы – многокомпонентные сплавы.

Диаграмма состояния Си – Al показана на рис. 7.4. Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность, а также малую склонность к дендритной ликвации. Однако из-за большой усадки из них редко получают фасонные отливки сложной формы.

Медь с алюминием образуют ?-твердый раствор, концентрация алюминия в котором при понижении температуры с 1035 до 565 °C увеличивается от 7,4 до 9,4 %.

Фаза ?-твердый раствор на базе электронного соединения CugAl ?/2). При содержании алюминия более 9 % в структуре появляется эвтектоид ? + ?’ (?’ – электронное соединение Cu32Alig).

Фаза а пластична, но ее прочность невелика, ?’-фаза обладает высокой твердостью, но низкой пластичностью. Сплавы, содержащие до 4–5 % Al, обладают высокой прочностью и пластичностью. Двухфазные сплавы ? + ?’ имеют достаточно высокую прочность, но низкую пластичность. Прочность сплавов уменьшается при содержании алюминия более 10–12 %. Железо измельчает зерно, повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства до температур 500–600 °C. Сплавы алюминиевой бронзы, содержащие никель, хорошо деформируются в горячем состоянии.

Таблица 7.3

Химический состав бронз

*1 Плюс 0,5–2,0 % (по массе) Ni.

*2 Кроме алюминия еще 2,0–4,0 % Fe.

К материалам ювелирной техники можно отнести большую группу литейных сплавов, к которым относятся отливки из кремнистых и бериллиевых бронз. Приведенные сплавы обладают высокими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой усадкой, низким газонасыгцением, отсутствием горячеломкости.

В предыдущих разделах была приведена диаграмма состояния Си – Sn, соответствующая оловянистой бронзе. Сообщалось, что для улучшения литейных свойств (повышение жидкотекучести и уменьшения усадочной пористости), а также снижения стоимости сплава в них вводят цинк и свинец. Однако стоимость бронзы в основном зависит от наличия олова в сплаве, которое составляет до 10 %. В настоящее время для художественного и ювелирного литья используют кремнистую бронзу.

Кремнистые бронзы, обладают высокой жидкотекучестью, имеют малую усадку, имеют малую склонность к дендритной ликвации и отсутствие усадочной пористости. Кроме того, кремнистые бронзы, обладая более высокими механическими свойствами в сравнении с оловянистыми, представляют значительный интерес как заменители дорогостоящих дефицитных оловянистых бронз в художественном литье. Диаграмма состояния Си – Si приведена на рис. 7.5.

Бронзы, имея в своем составе 3 % кремния, лежат в области ?-твердого раствора. Однако в условиях длительного отжига граница ?-области несколько сдвигается в область меньших концентраций кремния, поэтому в богатых кремнием сплавах возможно появление гетерогенной структуры. При легировании кремнием с содержанием его до 3,5 % повышается прочность и пластичность. Кроме того, небольшие добавки кремния повышают жидкотекучесть. С увеличением содержания кремния до 5 % увеличивается интервал кристаллизации и жидкотекучесть снижается.

Небольшие добавки марганца и никеля, вводимые в некоторые сплавы (БрКМцЗ,5–1 и БрКН1-3), входят в твердый раствор, придавая ему декоративные свойства. Например, добавка 1 % марганца значительно увеличивает коррозионную стойкость кремнистой бронзы, повышает прочность и плотность. Никель, который улучшает декоративные свойства бронзы, придавая ей красивый серебристый цвет, так же как и марганец, растворяясь в меди, повышает твердость, прочность и коррозионную стойкость, но ухудшает жидкотекучесть, увеличивает газонасыщенность расплава и измельчает структуру. Поэтому легирование никелем производят только для промышленных деформируемых бронз (БрКН1-3, БрКН0,5–2). Эти сплавы термически упрочняются после закалки при температуре от 850 °C и старения при 450 °C в течение 1 ч. В результате указанной термообработки временное сопротивление разрыву составляет 700 МПа при относительном удлинении 8 %.

Как ранее сообщалось, бинарные сплавы системы Си – Si лежат в области ?-твердого раствора (заштрихованная область на рис. 7.5) и термически не упрочняются. Для снятия внутренних напряжений проводят отжиг при 800 °C. Микроструктура бронзы в литом отожженном состоянии показана на рис. 7.6.

При изготовлении замков сережек и клипс, сложных обручальных колец с ажурными кастами, крапаны должны быть выполнены из литейных сплавов, обладающих пружинными свойствами. Поэтому изготовление таких колец выполняется из бериллиевой бронзы. Бериллиевые бронзы

Бериллиевая бронза обладает высокими пружинными и литейными свойствами. Кроме того, в отливках из берил-лиевой бронзы практически не наблюдается усадочной пористости. Сплавы не склонны к ликвации, так как линии ликвидуса и солидуса очень близки.

Бронзы Бр. Б2 и Бр. Б2,5, согласно диаграмме состояния (рис. 7.7), кристаллизуются в одну стадию: L? ? + L1.

С понижением температуры вследствие уменьшения растворимости бериллия в меди происходит распад твердого раствора: ? ? ? + Ь, с выделением кристаллов ?-фазы переменного состава. Фаза Р является твердым раствором на основе химического соединения СиВе, относящегося к электронным соединениям. Оно имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 2,7 ? и характеризуется электронной концентрацией 3/2 электрона на атом.

Фаза ? устойчива только до температуры 608 °C, при которой происходит эвтектоидный распад: ? ? ? + ? (СuВе).

При дальнейшем охлаждении (ниже температуры эвтектоидного превращения) вследствие сильного уменьшения растворимости бериллия в меди происходит распад ?-твердого раствора, сопровождающийся выделением у-фазы. Бронза имеет высокие декоративные свойства – блестящий светло-желтый цвет.

Наиболее высокие механические свойства данная бронза имеет после закалки при температуре от 800 °C и старения при 350 °C.

Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствуют ее высокая стоимость и дефицитность. Для уменьшения стоимости в ее состав вводят различные добавки (Ni, Со, Mn, Ti и др.), которые частично заменяют бериллий и в то же время незначительно снижают свойства бронзы. В настоящее время широкое применение получили бронзы с содержанием 1,7–1,9 % Be с добавками никеля и титана. На основе изучения сплавов тройной системы Си – Mn – Be были предложены бериллиевые бронзы с еще меньшим содержанием бериллия, которыми в ряде случаев можно заменить стандартную бериллиевую бронзу. Эти сплавы называются низколегированными бериллиевыми бронзами. Химический состав: 0,6 % Be, 12,2 % Mn, остальное медь; 0,9 % Be, 7,3 % Mn, остальное медь. Сплавы не уступают по своим технологическим свойствам стандартным бериллиевым бронзам, и потому их стали широко применять при изготовлении ювелирных и художественных изделий.

В конце XIX в. в качестве заменителей драгоценных металлов стали активно использоваться декоративные латуни, сплав хризит (36,8 % Zn, 0,2 % Pb), сплав Вигольди (31 % Zn, 0,8 % Al, 0,2 % Pb), и в настоящее время при производстве украшений применяяются сплавы на основе меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы. Как было отмечено, в качестве заменителя золота служит кремнистая латунь ЛК80-ЗЛ. Отливки, полученные из этого сплава, имеют красивый золотистый цвет. На рис. 7.8 показана микроструктура кремнистой латуни ЛК80-ЗЛ.

Рис. 7.8.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.