Оловянные бронзы

Оловянными бронзами называют сплавы меди с оловом (рис. 1), а также более сложные медно-оловянные сплавы с добавками фосфора, цинка, свинца, никеля и других элементов. Химический состав оловянных бронз приведен в табл. 1.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Cu-Sn

Механические свойства

 С увеличением содержания олова возрастает прочность и твердость оловянных бронз; при этом понижается пластичность и ударная вязкость (рис. 2).

Рис. 1. Влияние содержания олова на механические свойства оловянных бронз

Временное сопротивление достигает максимальных значений при 10…12% Sn. Твердость и предел текучести увеличиваются и при большем содержании олова, однако при этом относительное удлиннение и ударная вязкость уменьшаются. Оловянные бронзы с содержанием до до 10% Sn (см. табл. 1) с добавками фосфора, цинка или свинца могут пластически деформироваться.

Легирующие элементы в оловянных бронзах

 Фосфор считается легирующим элементом, если его содержание в оловянной бронзе превышает 0,1%.

Введение фосфора в оловянные бронзы преследует несколько целей. Во-первых, он раскисляет медь. В нераскисленных оловянных бронзах кислород может присутствовать в виде оксида SnО₂. Это очень твердое и хрупкое соединение резко снижает технологические и эксплуатационные свойства оловянных бронз. Во-вторых, фосфор повышает прочностные свойства. В бронзах с небольшим количеством олова фосфор повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых дисперсных частичек фосфида меди Cu₃Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность оловянных бронз, поэтому в деформируемых сплавах его содержание должно быть строго регламентировано.

Оловянные бронзы при содержании фосфора 0,5% и более легко разрушаются при горячем деформировании из-за расплавления фосфидной эвтектики (α+ Cu₃Р); максимальное содержание фосфора в оловянных бронзах, обрабатываемых давлением, составляет 0,4% (см. табл. 1). При таком содержании фосфора деформируемые оловянные бронзы обладают оптимальными механическими свойствами, имеют повышенные значения модуля нормальной упругости и предела упругости, а также высокое сопротивление усталостному разрушению. Оловянно-фосфористые бронзы Бр0Ф6,5-0,15, Бр0Ф6,5-0,4, Бр0Ф7-0,2 и Бр0Ф8-0,3 близки по химическому составу, отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами.

Бронза Бр0Ф6,5-0,15 обладает после деформации высокой прочностью и упругостью и применяется для изготовления пружинящих деталей приборов. Бронзу БрОФ6,5-0,4, учитывая высокую износостойкость, применяют для изготовления сеток в целлюлозно-бумажной промышленности. Бронза Бр0Ф7-0,2 имеет высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и, в основном, применяется в виде прессованных прутков.

 Износостойкость бронзы можно повысить путем холодной деформа­ции Бронза БрОФ8-0,3 по совокупности прочностных свойств и износостойкости превосходит бронзу БрОФ7-0,2.

Для повышения прочностных свойств оловянные бронзы, не содержащие фосфора, легируют цинком в больших количествах, но в пределах его растворимости в α-фазе.

Бронза БрОЦ4-3 отличается хорошими механическими     коррозионными свойствами; ее применяют в электротехнической  промышленности, машиностроении, приборостроении и точной механике для изготовления пружин, арматуры и других деталей. Бронза хорошо деформируется в горячем и в состоянии.

В оловянные бронзы цинк часто вводят совместно со свинцом (см. табл. 1). Свинец практически нерастворим в оловянных бронзах в твердом состоянии. Структура оловянно-цинково-свинцовых бронз БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4 состоит из кристаллов α-твердого раствора и включений свинца. Свинец улучшает антифрикционные свойства и повышает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Однако механичес­кие свойства оловянных бронз под влиянием свинца заметно понижаются.

Бронзы БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4, содержащие свинец, обрабатывают давлением только в холодном состоянии, так как из-за присутствия в структуре этих сплавов легкоплав­кой эвтектики, состоящей практически из чистого свинца, горячая обработка давлением невозможна. Эти бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, коррозионностойки, хорошо обрабатываются резанием; из них изготавливают ленты и полосы, а также применяют в качестве прокладок в подшипниках и втулках.

Важным легирующим элементом в оловянных бронзах является никель, повышающий прочностные свойства, пластичность и деформируемость оловянных бронз, их коррозионную стойкость, измельчающий зерно из-за образования интерметаллидов Ni₃Sn₂ и Ni₃Sn. Эти фазы имеют переменную, резко уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в α-твердом растворе, поэтому оловянные бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением.

Важным показателем деформируемых оловянных бронз является высокая усталостная прочность в коррозионных средах. Усталостная прочность растет при увеличении содержания олова до 4%, а далее увеличивается в меньшей степени.

Термическая обработка.

 Гомогенизационный, промежуточный и окончательный отжиги являются основными видами термичес­кой обработки оловянных бронз с целью повышения их пластичности. Температуры горячей деформации и отжига деформируемых оловянных бронз приведены в табл. 2.

Оловянные бронзы являются сплавами меди, которые для получения качественной деформированной продукции нуждаются в проведении гомогенизационного отжига. В сплавах системы Cu—Sn из-за большого интервала кристаллизации (см. рис. 1) составы жидкой и твердой фаз значительно отличают ся друг от друга, что способствует дендритной ликвации. Последующий нагрев слитков под горячую обработку давлением и пластическая деформация не могут полностью устранить химическую неоднородность твердого раствора в оловянных бронзах.

В результате гомогенизационного отжига оловянных бронз повышается однородность их структуры; неравновесные интерметаллидные фазы растворяются в твердом растворе, выравнивается химический состав по сечению кристаллитов в слитке. Гомогенизационный отжиг слитков из оловянных бронз проводят при температурах 700…750°С с последующим быстрым охлаждением. Температура и время отжига должны быть достаточными для устранения последствий ликвации. Промежуточный и окончательный отжиги при холодной обработке давлением проводят при температурах 500…650°С; при этом полностью устраняется наклеп, вызванный холодной пластической деформацией оловянных бронз (рис. 3).

Коррозионные свойства.

 Оловянные бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью; скорость коррозии бронз, содержащих 5…8% Sn, не превышает 0,002 мм/год.

В морской воде оловянные бронзы более коррозионностойки, чем медь и латуни, при этом стойкость бронз повышается с увеличением содержания олова. Никель также повышает коррозионную стойкость оловянных бронз в морской воде, а свинец при высоком содержании — понижает.

Скорость коррозии в морской воде деформируемых оловянных  и некоторых литейных бронз оставляет(мм/год):

 Оловянные бронзы неустойчивы в среде минеральных кислот, щелочей, аммиака, цианидов, железистых и сернистых соединений кислых рудничных вод. Из минеральных наибольшее влияние на оловянные бронзы оказывают соляная и азотные кислоты; серная в этом отношении является менее агрессивной. Однако скорость коррозии оловянных бронз под действием серной кислоты увеличивается в присутствии окислителей (К₂Cr₂О₇, Fe₂(S0₄)₃ и др.). В присутствии ингибиторов, например, 0,05% бензиотиоцианита, скорость коррозии оловянных бронз умень­шается в 10…15 раз.

Физические, механические и технологические свойства деформированных оловянных бронз приведены в табл. 2 - 6. Области применения продукции из оловянных бронз приведены в табл. 7.