Хромовая бронза
Хромовые
бронзы — медно-хромовые или более сложные по химическому составу медные сплавы,
в которых упрочнение после закалки и старения происходит в результате выделения
из твердого раствора дисперсных частиц хрома или хромосодержащих соединений.
Бронзы относятся к жаропрочным медным сплавам высокой электро- и
теплопроводности.
Среди
легирующих элементов, которые используют при создании жаропрочных медных сплавов
высокой тепло- и электропроводности, хрому отводится особая роль благодаря его
влиянию на физические и механические свойства меди. Хром значительно упрочняет
медь, повышает уровень ее жаропрочности и значительно повышает температуру
рекристаллизации меди.
Хромовые
бронзы относятся к дисперсионно твердеющим сплавам и имеют хорошее сочетание
физических, механических и эксплуатационных свойств после термической или
термомеханической обработки (ТМО). Термическая обработка включает закалку,
фиксирующую пересыщенный твердый раствор, и старение, в результате которого
происходит распад с выделением дисперсных частиц фазы-упрочнителя. ТМО включает
холодную пластическую деформацию (между закалкой и старением), которая активно
влияет на формирование структуры при старении, изменяя кинетику распада твердого
раствора. Уровень прочностных свойств у сплавов, прошедших ТМО, выше, чем у
сплавов, подвергнутых старению без предварительной деформации. Однако применение
ТМО к изделиям из хромовых бронз, эксплуатируемых при температурах выше
температур рекристаллизации, неэффективно.
Кроме
упрочняющей термической обработки хромовые бронзы зачастую подвергаются
промежуточному отжигу с целью повышения пластичности между операциями холодной
деформации. Отжигу подвергают также готовую металлопродукцию перед последующим
изготовлением из нее изделий различными способами пластической деформации (штамповка,
ковка, отбортовка и др.).
Свойства
двойных
хромовых бронз
определяются особенностями физико-химического взаимодействия между компонентами
в системе Cu—Cr.
Наибольший практический интерес имеет часть диаграммы состояния
Cu—Cr,
показанная на рис. 1. 4.15.
Рис. 1. Диаграмма состояния Cu-Cr
В
системе Cu—Cr
твердом состоянии существуют две фазы:
α-твердый
раствор хрома в меди и твердый раствор на основе хрома. Однако вследствие малой
растворимости меди в хроме в твердом состоянии, второй твердой фазой является
практически чистый хром.
Двойные
хромовые бронзы БрХ1 и БрХ0,8 мало отличаются по химическому составу (табл.
1.) и имеют близкие значения физических и
механических свойств.
Табл. 1. Химический состав хромовых бронз (массовая
доля, %) |
Марка |
Сг |
Zr |
Ti |
Cu |
Другие элементы |
Примеси, не более |
БрХГ1) |
0,4…1,0 |
— |
— |
ост. |
— |
0,08Fe; 0,3Zn; сумма — 0,2 |
БрХ0,82) |
0,4…0,7 |
— |
— |
ост. |
— |
0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si; 0,015Zn; сумма — 0,2 |
БрХНТ2) |
0,2…0,4 |
— |
0,03…0,08 |
ост. |
0,5…0,8 Ni |
0,01P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si; 0,015Zn; сумма — 0,2 |
БрХЦрТ2) |
0,25…0,45 |
0,03…0,07 |
0,04…0,08 |
ост. |
0,001 Mg |
0,015Fe; 0,003Pb; 0,01 Si; 0,001Zn; сумма — 0,2 |
БрХ1Цр2) |
0,4…1,0 |
0,03…0,08 |
— |
ост. |
0,03 Ni |
0,002Bi; 0,003Pb; 0,01 Zn; 0,01 Sn; 0,01As; сумма — 0,2 |
БрХВЦр21 |
0,35…0,7 |
0,15…0,30 |
— |
ост. |
0,15..,0,4 V |
0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,02Si; 0,01Zn; сумма — 0,2 |
БрХНб2) |
0,3…0,5 |
- |
— |
ост. |
0,1.„0,4 Nb |
0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si;0,015Zn; сумма-0,2 |
БрХЦрК2) |
0,15…0,25 |
0,15…0,25 |
— |
ост. |
0,03…0,10 Ca |
0,02Fe; 0,005Pb; 0,002Sb; 0,005Zn; 0,005P; сумма — 0,2 |
1) химический состав приведен по ГОСТ
18175—78; |
2) нормативно-техническим документом на
химический состав являются ТУ. Примечание: примеси, не указанные в
таблице, учитываются в общей сумме примесей. |
Минимальные
значения временного сопротивления σb
хромовая бронза имеет в отожженном состоянии, максимальные — в закаленном (рис.
2).
Рис. 1. Зависимость механических свойства
бронзы БрХ (0,79% Cr) от температуры испытания после
термической обработки по режимам: 1 - отжиг при 700°С
, 2 ч; 2 - закалка с 1000°С
в воде; 3 - нормализация (охлаждение на воздухе) с
1000°С
Наибольшие
различия в прочностных свойствах хромовых бронз между закаленным и
нормализованным состояниями наблюдаются с температуры 400°С, когда начинается
распад пересыщенного хромом твердого раствора. Прочностные свойства хромовой
бронзы в нормализованном и закаленном состоянии становятся практически
одинаковыми при 800°С. Двойные хромовые бронзы имеют область пониженной
пластичности в температурном интервале 400…650°С.
Сведения о
физических, механических и технологических свойствах двойных хромовых бронз БрХ1
и БрХ0,8 даны в табл. 2-3.
Табл. 2. Физические, механические и
технологические свойства бронзы БрХ1 |
Физические свойства |
Температура плавления,°С: |
|
ликвидус |
1081 |
солидус |
1076 |
Плотность γ, кг/м3 |
8920 |
Температурный коэффициент линейного расширения
α*106,
К-1 |
17 |
Удельная теплоескость cp
Дж/(кг*К) |
388 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
|
после закалки |
0,0383 |
после старения |
0,021 |
Удельная теплопроводность при 20°С, λ, Вт/(м*К): |
|
после закалки |
167 |
после старения |
315 |
Температурный коэффициент электического сопротивления
α',
К-1: |
|
после закалки |
0,002 |
после старения |
0,003 |
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
131 |
Модуль упругости при сдвиге (модуль сдвига) G, ГПа |
42 |
Механические свойства |
Временное сопротивление σb,
МПа: |
|
после закалки |
240 |
после закалки и старения |
410 |
после закалки, деформации и старения |
520 |
Предел текучести σ0,2,
МПа: |
|
после закалки |
65 |
после закалки и старения |
270 |
после закалки, деформации и старения |
440 |
Относительное удлинение δ,% |
|
после закалки |
50 |
после закалки и старения |
22 |
после закалки, деформации и старения |
10 |
Твердость по Виккерсу HV: |
|
после закалки |
65 |
после закалки и старения |
130 |
после закалки, деформации и старения |
150 |
Предел усталости при (3*108
циклов для бронзы с σb=545
Мпа), σ-1,
МПа |
197 |
Технологические свойства |
Температура литья, °С |
1250… 1350 |
Температура горячей деформации, °С: |
750…950 |
Температура термической обработки, °С: |
|
отжига |
650…700 |
закалки |
980… 1000 |
старения |
400…500 |
Суммарная степень деформации перед старением, % |
50 |
Обрабатываемость резанием относительно свинцовой латуни ЛIC63-3,
% |
20 |
|
Табл. 3. Характеристика жаропрочности прутков из
хромовой бронзы БрХ0,8 |
Температура, °С |
Предел длительной прочности, МПа |
Предел ползучести, МПа |
σ100 |
σ500 |
σ1000 |
σ0,2/100 |
σ0,5/100 |
σ0,1/500 |
σ0,2/500 |
σ0,5/500 |
σ0,1/1000 |
σ0,2/1000 |
σ0,5/1000 |
200 |
280 |
250 |
240 |
220 |
250 |
160 |
200 |
220 |
140 |
170 |
200 |
300 |
— |
— |
180 |
— |
— |
— |
— |
— |
120 |
140 |
— |
Среди
медных сплавов с высокой электро- и теплопроводностью наибольшее применение в
промышленности нашли многокомпонентные
хромовые бронзы,
легированные цирконием (см. табл. 1).
Хромоциркониевая бронза БрХЦр по механическим свойствам, температуре
разупрочнения при нагреве, жаропрочности превосходит двойную хромовую бронзу
БрХ1. При этом электро- и теплопроводность двойного и тройного сплавов
практически одинаковы. Введение в двойные сплавы
Cu-Cr
малой добавки циркония приводит не только к повышению прочностных свойств, но и
к значительному улучшению пластичности при повышенных температурах: бронза БрХЦр
в отличие от двойных сплавов БрХ1 и БрХ0,8 не имеет провала пластичности в
интервале температур 400…650°С.
Физические,
механические и технологические свойства хромоциркониевой бронзы БрХЦр при
комнатной и высоких температурах приведены в табл. 4-6.
Табл. 4. Физические, механические и
технологические свойства бронзы БрХЦр |
Физические свойства |
Температура плавления, °С: |
|
ликвидус |
1080 |
солидус |
1074 |
Плотность γ, кг/м3 |
8920 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
16,8 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
|
после закалки |
0,0376 |
после старения |
0,0204 |
Удельная теплопроводность λ, Вт/(м*К): |
|
после закалки |
— |
после старения |
366 |
Температурный коэффициент электрического сопротивления
α', К-1 |
0,003 |
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
130 |
Механические свойства |
Временное сопротивление σb,
МПа: |
|
после закалки |
250 |
после закалки и старения |
480 |
после закалки, деформации и старения |
540 |
Предел текучести σ0,2,
МПа: |
|
после закалки |
75 |
после закалки и старения |
420 |
после закалки, деформации и старения |
500 |
Относительное удлинение δ,% |
|
после закалки |
44 |
после закалки и старения |
24 |
после закалки, деформации и старения |
12 |
Твердость по Виккерсу HV: |
|
после закалки |
68 |
после закалки и старения |
120 |
после закалки, деформации и старения |
148 |
Технологические свойства |
Температура литья, °С |
1250…1300 |
Температура горячей деформации, °С |
700…930 |
Температура термической обработки, °С: |
|
закалки |
980…1000 |
старения |
400…500 |
отжига |
650…700 |
Суммарная степень холодной деформации перед старением, % |
О |
Обрабатываемость резанием, % относительно свинцовой латуни ЛC63-3 |
20 |
Табл. 5. Физические свойства хромовых бронз при
высоких температурах |
Свойства |
Температура, °С |
20 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
Сплав БрХЦр |
Плотность γ, кг/м3 |
8920 |
— |
— |
— |
— |
— |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
0,0205 |
0,038 |
0,0441 |
0,0524 |
0,0603 |
0,0668 |
Удельная электрическая прводимость , МСм/м |
49 |
26 |
23 |
19 |
16 |
14 |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К) |
366 |
380 |
382 |
367 |
361 |
350 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
— |
17,5 |
17,9 |
18,3 |
18,6 |
19 |
Модуль нормальной
упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
130 |
118 |
109 |
100 |
93 |
88 |
Сплав БрХВЦр |
Плотность γ, кг/м3 |
8830 |
8770 |
8730 |
8700 |
8650 |
8580 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
0,02 |
0,0378 |
0,0449 |
0,0525 |
6,08 |
0,0695 |
Удельная электрическая прводимость , МСм/м |
50 |
26 |
25 |
22 |
16 |
15 |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К) |
368 |
382 |
369 |
361 |
357 |
350 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
16,6 |
17,5 |
17,9 |
18,4 |
18,7 |
19,1 |
Модуль нормальной
упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
132 |
117 |
108 |
102 |
91 |
86 |
Сплав БрХНб |
Плотность γ, кг/м3 |
8900 |
— |
— |
— |
— |
— |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
0,0185 |
0,0379 |
0,0437 |
0,0517 |
0,059 |
0,0679 |
Удельная электрическая прводимость , МСм/м |
54 |
27 |
23 |
19 |
17 |
15,5 |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К) |
380 |
384 |
390 |
372 |
365 |
357 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
— |
17,1 |
17,3 |
17,7 |
18,3 |
18,8 |
Модуль нормальной
упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
135 |
122 |
113 |
105 |
97 |
90 |
Табл. 6. Механические свойства хромовых бронз при
высоких температурах |
Свойства |
Температура, °С |
20 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
БрХЦр |
Временное сопротивление σb,
МПа |
500 |
390 |
350 |
300 |
250 |
100 |
Предел текучести σ0,2,
МПа |
450 |
370 |
340 |
290 |
240 |
90 |
Относительное удлинение δ,% |
24 |
20 |
18 |
18 |
18 |
29 |
Относительное сужение ψ,% |
84 |
81 |
82 |
82 |
81 |
95 |
Ударная вязкость KCU, МДж/м2 |
— |
2,1 |
2,1 |
1,8 |
1,6 |
1,2 |
Твердость по Виккерсу HV |
148 |
122 |
106 |
80 |
70 |
38 |
Длительная (1 ч) твердость HV |
— |
— |
86 |
60 |
33 |
19 |
БрХВЦр |
Временное сопротивление σb,
МПа |
550 |
450 |
410 |
350 |
220 |
120 |
Предел текучести σ0,2,
МПа |
510 |
430 |
400 |
340 |
210 |
110 |
Относительное удлинение δ,% |
19 |
17 |
12 |
12 |
16 |
30 |
Относительное сужение ψ,% |
58 |
55 |
57 |
58 |
68 |
89 |
Ударная вязкость KCU, МДж/м2 |
1,8 |
1,7 |
1,7 |
1,6 |
1,6 |
1,5 |
Твердость по Виккерсу HV |
160 |
120 |
110 |
102 |
79 |
33 |
Длительная (1 ч) твердость HV |
— |
— |
88 |
71 |
35 |
15 |
Многокомпонентная бронза БрХЦрК отличается от БрХЦр значительно меньшим
содержанием хрома (см. табл. 1). Небольшая добавка
кальция (0,03…0,10%) вводится для раскисления расплава, улучшения усвоения
циркония и повышения технологических свойств (стойкость к двойным перегибам). Из
этого сплава изготавливают токопроводящие монтажные провода, предназначенные для
работы при длительном воздействии повышенных температур (ок. 150°С) и
кратковременно до 250°С. Бронза отличается высокой технологической пластичностью,
что позволяет выпускать микропроволоку.
Свойства
бронзы БрХЦрК и режимы обработки приведены в табл. 7.
Табл. 7. Физические, механические и
технологические свойства бронзы БрХЦрК |
Физические свойства |
Температура плавления, °С: |
|
ликвидус |
1075 |
солидус |
1065 |
Плотность γ, кг/м3 |
8925 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
16,7 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м: |
|
после закалки |
0,0346 |
после старения |
0,0195 |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К): |
|
после закалки |
— |
после старения |
368 |
Температурный коэффициент электического сопротивления,
α-1,
К-1 |
0,0025 |
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
131 |
Механические свойства |
Временное сопротивление σb,
МПа: |
|
после закалки |
250 |
после закалки и старения |
380 |
после закалки, деформации и старения |
550 |
Предел текучести σ0,2,
МПа: |
70 |
после закалки |
после закалки и старения |
350 |
после закалки, деформации и старения |
500 |
Относительное удлинение δ,%: |
|
после закалки |
44 |
после закалки и старения |
20 |
после закалки, деформации и старения |
2 |
Технологические свойства |
|
Температура литья, °С |
1250…1300 |
Температура горячей деформации, °С |
700…930 |
Температура термической обработки, °С: |
|
закалки |
900…960 |
старения |
400…600 |
Суммарная степень холодной деформации перед старением |
0…95 |
Обрабатываемость резанием относительно свинцовой латуни ЛC63-3, % |
20 |
В качестве
легирующих элементов в хромовые бронзы вводят также тугоплавкие металлы
переходной группы - ванадий и ниобий, имеющие температуры плавления 1910°С и
2469°С соответственно.
Главное
достоинство бронзы БрХНб — высокая электро- и теплопроводность в широком
диапазоне температур (см. табл. 5); по прочностным
свойствам сплав уступает двойной хромовой бронзе БрХ1. Из бронзы БрХНб
изготавливают проволоку для токоведущих проводников электрического тока.
Хромоциркониевая бронза БрХВЦр с добавкой ванадия (см. табл. 1)
относится к дисперсионно твердеющим материалам. Бронза имеет высокую тепло- и
электропроводность, отличается высокой пластичностью и вязкостью в широком
диапазоне температур. Основные физические и механические свойства бронзы БрХВЦр
при комнатной и высоких температурах представлены в табл. 6-8.
Таблица 8. Физические, механические и
технологические свойства бронзы БрХВЦр |
Физические свойства |
Плотность γ, кг/м3 |
8830 |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
16,8 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м: |
0,02 |
Удельная теплоескость cp
Дж/(кг*К) |
394 |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К) |
368 |
Температурный коэффициент электрического сопротивления α', К-1 |
0,003 |
Удельная электрическая проводимость σ, в % от меди |
86 |
Механические свойства |
Временное сопротивление σb,
МПа |
550 |
Предел текучести σ0,2,
МПа |
510 |
Относительное удлинение δ,%: |
19 |
Относительное сужение ψ,% |
58 |
Ударная вязкость KCU, МДж/м2 |
1,8 |
Твердость по Виккерсу HV |
160 |
Модeль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа |
130 |
Технологические свойства |
Температура литья, °С |
1300…1350 |
Температура горячей деформации, °С |
700…930 |
Температура термической обработки, °С: |
930…950 |
закалки |
450…475 |
старения |
700...750 |
отжига |
|
Суммарная степень холодной деформации перед старением, % |
40…70 |
Примечание. Физические и механические свойства определены после
обработки бронзы по режиму: закалка с 940 °С в воду, холодная деформация
(50%) и старение (460 °С, 4 ч). |
Основные
виды продукции и изделий из хромовых бронз приведены в табл. 9.
Табл. 4.37. Основные виды продукции и изделий из хромовых бронз |
Продукция и изделия |
Марка бронзы |
БрХ1 |
БрХ0,8 |
БрХНТ |
БрХЦрТ |
БрХЦр |
БрХВЦр |
БрХНб |
БрХЦрК |
Лента |
X |
|
|
|
|
|
|
|
Листы холодно- и горячекатаные |
X |
X |
X |
X |
X |
|
|
|
Полосы и профили |
X |
X |
|
|
X |
|
|
|
Плиты |
X |
X |
|
X |
X |
|
|
|
Тонкая проволока (диаметр < 1 мм) |
|
|
|
|
|
|
X |
X |
Проволока круглого (диаметр > 1 мм) и прямоугольного сечения |
X |
|
|
|
|
X |
X |
X |
Прутки тянутые и прессованные |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
X |
|
Трубы |
X |
X |
X |
X |
|
|
|
|
Поковки |
X |
X |
|
X |
X |
|
|
|
Электроды для сварки |
X |
|
|
|
X |
X |
|
|
Губки для роликовых сварочных машин |
X |
|
|
|
X |
|
|
|
Кристаллизаторы и теплообменники |
X |
X |
X |
X |
|
|
|
|
Токоподводящие контакты |
X |
|
|
|
|
|
|
X |
Электрические провода и кабели |
|
|
|
|
|
|
X |
X |
Коллекторные пластины |
X |
|
|
|
X |
|
|
|
Условное обозначение: «X» — имеется опыт изготовления и применения |
|