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
Химический состав оловянных бронз (ГОСТ 5017-2006) (массовая
доля, %) |
Марка |
Предел содержания элементов |
Элемент |
Сумма прочих элементов |
Cu |
Al |
Bi |
Fe |
Ni |
Р |
Pb |
Sb |
Si |
Sn |
Zn |
БрОФ8-0,3 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,26 |
- |
- |
- |
7,5 |
- |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,02 |
0,2 |
0,35 |
0,02 |
0,002 |
0,002 |
8,5 |
0,3 |
0,1 |
БрОФ7-0,2 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,1 |
- |
- |
- |
7 |
- |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,05 |
0,2 |
0,25 |
0,02 |
0,002 |
0,005 |
8 |
0,3 |
0,1 |
БрОФ6,5-0,4 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,26 |
- |
- |
- |
6 |
- |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,02 |
0,2 |
0,4 |
0,02 |
0,002 |
0,005 |
7 |
0,3 |
0,1 |
БрОФ6,5-0,15 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,1 |
- |
- |
- |
6 |
0,3 |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,05 |
0,2 |
0,25 |
0,02 |
0,002 |
0,002 |
7 |
- |
0,1 |
БрОФ4-0,25 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,2 |
- |
- |
- |
3,5 |
0,3 |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,02 |
0,2 |
0,3 |
0,02 |
0,002 |
0,002 |
4 |
- |
0,1 |
БрОФ2-0,25 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
0,02 |
- |
- |
- |
1 |
0,3 |
- |
макс. |
- |
- |
- |
0,05 |
0,2 |
0,3 |
0,03 |
- |
- |
2,5 |
- |
0,3 |
БрОЦ4-3 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
3,5 |
2,7 |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,05 |
0,3 |
0,03 |
0,02 |
0,002 |
0,005 |
4 |
3,3 |
0,2 |
БрОЦС4-4-2,5 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
- |
1,5 |
- |
- |
3 |
3 |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,05 |
0,3 |
0,03 |
3,5 |
0,002 |
- |
5 |
5 |
0,2 |
БрОЦС4-4-4 |
мин. |
ост. |
- |
- |
- |
- |
- |
3,5 |
- |
- |
3 |
3 |
- |
макс. |
- |
0,002 |
0,002 |
0,05 |
0,3 |
0,03 |
4,5 |
0,002 |
- |
5 |
5 |
0,2 |
Примечания: |
1. В бронзе марки БрС)Ф6,5-0,15 допускается массовая доля
олова до 7,5%. |
2. В бронзе марки БрОЦ4-3 допускается массовая доля титана не
более 0,12% за счет массовой доли меди, которая не учитывается в
общей сумме прочих элементов. |
3. В сплавах, применяемых для изготовления изделий с
антимагнитными свойствами, допускается массовая доля железа не
более 0,02%. К обозначению марок добавляется буква А. |
4. Массовые доли примесей серы и магния допускаются не более
0,007% каждой. |
5. Знак «—», поставленный одновременно для верхнего и нижнего
пределов массовой доли элемента, обозначает, что данный элемент
не нормируется и определяется только по требованию потребителя и
в этом случае содержание данной примеси включается в обшую сумму
прочих элементов. |
6. Примесью следует считать элемент, у которого указан только
максимальный предел его содержания. |
7. Примеси, не указанные в настоящей таблице, учитываются в
общей сумме прочих элементов. |
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.
Табл. 2. Технологические свойства и температуры
обработки оловянных бронз |
Марка |
Обрабатываемость резанием2,
% |
Жидкотекучсть, мм |
Линейная усадка, % |
Температура, °С |
литья |
горячей деформации |
отжига |
БрОФ4-0,25 |
20 |
— |
1,4 |
1250…1300 |
700… 850 |
600…650 |
БрОФ6,5-0,15 |
20 |
— |
— |
1150…1250 |
750… 850 |
600…700 |
БрОФ6,5-0,4 |
20 |
1170 |
1,45 |
1150…1250 |
750…770 |
600…700 |
Бр0ф7-0,2 |
16 |
— |
— |
1170…1250 |
750…800 |
600…720 |
БрОФ8-0,3 |
— |
— |
— |
1150…1250 |
680…750 |
600…720 |
БрОЦ4-3 |
20 |
200 |
1,45 |
1200…1250 |
750…850 |
600…700 |
БрОЦС4-4-2,51 |
90 |
200 |
1,49 |
1150…1200 |
— |
500…600 |
БрОЦС4-4-4 |
90 |
250 |
— |
1150…1200 |
— |
600…700 |
1 Обрабатывается давлением только
в холодном состоянии с деформацией 30%. |
2В %
по отношению к обрабатываемости резанием латуни ЛC63-3. |
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):
БрО10Ф1…..… 0,016 |
БрОФ6,5-4…….. 0,04 |
БрО10Ц2…….. 0,018 |
БрОФ4-0,25…… 0,016 |
БрО6Ц3Н3…… 0,005 |
БрОЦ4-3………… 0,022 |
БрО6Ц6С3…… 0,028 |
БрОЦ4-4-2,5…. 0,016 |
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.
Табл. 3. Физические свойства оловянных бронз, обрабатываемых
давлением |
Марка |
Температура плавления, °С |
Плотность γ, кг/м3 |
Удельное электросопротивление ρ*106,
Ом*м |
Теплопроводность λ, Вт/(м*К) |
Удельная теплоемкость сp,
Дж/(кгК) |
Температурный коэффициент линейного расширения α*106,
К-1 |
БрОФ4-0,25 |
1080 |
8900 |
0,091 |
83,6 |
— |
17,6 |
БрОФ6,5-0,15 |
995 |
8850 |
0,123 |
71 |
377 |
17,8 |
БрОФ6,5-0,4 |
955 |
8850 |
0,176 |
67 |
377 |
17,1 |
Бр0ф7-0,2 |
950 |
8750 |
0,17 |
65,8 |
377 |
17 |
БрОФ8-0,3 |
880 |
8700 |
0,175 |
63 |
377 |
17 |
БрОЦ4-3 |
1045 |
8800 |
0,087 |
83,5 |
— |
18 |
БрОЦС4-4-2,5 |
1018 |
8900 |
0,09 |
70,7 |
377 |
18,2 |
БрОЦС4-4-4 |
1015 |
9100 |
0,11 |
67 |
— |
18,1 |
Табл. 4. Полосы и ленты холоднокатаные из оловянных бронз.
Механические свойства |
Продукция, ГОСТ |
Марка |
Состояние поставки |
Толщина, мм |
Временное сопротивление σb,
МПа |
Относительное удлинение δ10,% |
|
В пределах или не менее |
Полосы и ленты из оловянно-фосфористой оловянно-цинковой бронзы,
ГОСТ 1761-92 |
БрОФ6,5-0,15 |
мягкое |
менее 0,5 |
290 |
35 |
0,5 и более |
38 |
полутвердое |
менее 0,5 |
440…570 |
8 |
0,5 и более |
10 |
твердое |
менее 0,5 |
570…740 |
3 |
0,5 и более |
5 |
особотвердое |
менее 0,5 |
740 |
— |
0,5 и более |
— |
БрОЦ4-3 |
мягкое |
менее 0,5 |
290 |
35 |
0,5 и более |
38 |
полутвердое |
менее 0,5 |
350…540 |
4 |
0,5 и более |
8 |
твердое |
менее 0,5 |
540…690 |
2 |
0,5 и более |
4 |
особотвердое |
менее 0,5 |
660 |
— |
0,5 и более |
— |
Ленты и полосы из оловянно-цинковосвинцовой бронзы, ГОСТ 15885-77 |
БрОЦС4-4-2,5 |
мягкое |
от 0,50 до 3,00 |
290 |
35 |
полутвердое |
|
390…490 |
10 |
твердое |
|
540 |
5 |
Примечание: твердость продукции не регламентируется. |
|
|
Табл. 5. Прутки и проволока из оловянных бронз. Механические
свойства |
Продукция, ГОСТ |
Марка |
Изгот. |
Сост. пост. |
Диаметр, мм |
Временное сопротивление σb, МПа |
Относительное улиннение δ10,% |
НВ |
Не менее |
Прутки из оловянноцинковой бронзы, ГОСТ 6511-60 |
БрОЦ4-3 |
Т |
— |
от 5 до 12 вкл. |
430 |
10 |
— |
от 13 до 25 вкл. |
370 |
12 |
— |
от 26 до 35 вкл. |
330 |
14 |
— |
от 36 до 40 вкл. |
310 |
16 |
— |
Пр |
— |
от 42 до 120 вкл. |
270 |
25 |
— |
Прутки из оловяннофосфористой бронзы, ГОСТ 10025-78 |
БрОФ6,5-0,15 |
Т, ХК |
м |
от 5 до 20 вкл. |
350 |
40 |
70 |
пт |
390 |
18 |
120 |
Тв |
470 |
12 |
140 |
ОТ |
550 |
6 |
150 |
Пр |
— |
от 100 до 110 вкл. |
340 |
55 |
70 |
Бр0ф7-0,2 |
Т, ХК |
М |
от 16 до 40 вкл. |
390 |
40 |
80 |
ПТ |
440 |
15 |
130 |
Тв |
520 |
10 |
150 |
ОТ |
570 |
6 |
180 |
Пр |
— |
от 40 до 95 вкл. |
360 |
55 |
70 |
Проволока из оловянно- цинковой бронзы, ГОСТ 5221-77 |
БрОЦ4-3 |
ХД, Т |
Тв |
от 0,1 до 2,5 вкл. |
880 |
0,5 |
— |
св. 2,5 до 4,0 вкл. |
830 |
1 |
— |
св. 4,0 до 8,0 вкл. |
814 |
1 |
— |
св. 8,0 до 12,0 вкл. |
765 |
2 |
— |
Условные обозначения: |
|
Т — тянутые; Пр - прессованные; ХК - холоднокатаные; ХД -
холоднодеформированные; М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв -
твердое |
Табл. 6. Трубы тянутые из оловянных бронз. Механические свойства |
Продукция, ГОСТ |
Марка |
Размеры, мм |
Временное сопротивление σb, МПа |
Относительное улиннение δ10,% |
Диаметр |
Толщина стенки |
Не менее |
Трубы манометрические из оловянно-фосфористой бронзы, ГОСТ 2622-75 |
БрОФ 4-0,25 |
от 8,0 до 22,0 вкл. |
от 0,20 до 1,60 вкл. |
490 |
3 |
Примечание: твердость продукции не регламентируется. |
Табл. 7. Области применения продукции из оловянных бронз |
Марка |
Продукция и области применения |
БрОФ2-0,25 |
листы, лента, проволока, ленты для гибких шлангов, токопроводящие
детали, винты, присадочный материал для сварки |
БрОФ4-0,25 |
полосы, листы, трубки в аппаратостроении и для
контрольно-измерительных приборов, трубки манометров |
БрОФ6,5-0,15 |
листы, полосы, прутки, мембраны, пружинные контакты, подшипниковые
детали, трубы заготовок для биметаллических сталебронзовых втулок |
БрОФ7-0,2 |
прутки для различного назначения, детали, работающие на трение при
средних нагрузках и скоростях скольжения, шайбы антифрикционного
назначения, шестерни, зубчатые колеса |
БрОФ8,0-0,3 |
проволока для сеток в целлюлозно-бумажной промышленности, пояски
поршневых колец |
БрОФб,5-0,4 |
проволока для сеток в целлюлозно-бумажной промышленности, а также
для пружин; ленты и полосы для машиностроения |
БрОЦ4-3 |
лента, полосы, прутки, проволока для пружин и аппаратуры химической
промышленности, контакты штепсельных разъемов |
БРОЦС4-4-2,5 |
ленты и полосы для прокладок во втулках и подшипниках |
БРОЦС4-4-4 |
ленты и полосы для прокладок во втулках и подшипниках, диски,
прокладки для автомобилей и тракторов |
|