Бериллиевые бронзы: проблемы и перспективы

БрБ2 — это безоловянная бериллиевая бронза, обрабатываемая давлением. Химический состав сплава БрБ2 описан в ГОСТ 18175-78 и включает в себя следующие компоненты: медь 96,9-98,0 %, бериллий 1,8-2,1 %, никель 0,2-0,5 % и до 0,5 % примесей. Сплав выделяется среди прочих бронз высокой износостойкостью и стойкостью к коррозионной усталости. Наряду с другими бронзами БрБ2 обладает хорошими антифрикционными и пружинящими свойствами, а также средними тепло и электропроводностью, что обуславливает применение ленты и проволоки БрБ2. Кроме того можно улучшить механические качества этого сплава, если подвергнуть его процедурам закалки и старения. Так, например, широко используют пруток БрБ2Т.

Бериллиевая бронза — это пластичный, пригодный для сварки и обработки сплав. Он устойчив к неокисляющим кислотам (например, к соляной или угольной), продуктам распада пластмасс, абразивному износу и истиранию. Она может подвергаться термической обработке для повышения прочности, износостойкости и электропроводности. Бериллиевая бронза достигает наибольшей прочности (до 1400 МПа) из всех сплавов на основе меди. Она имеет хорошую теплопроводность (107 Вт/м·К), превышающую теплопроводность инструментальной стали в 3-5 раз.

Прутки из бронзы БрБ2 применяются в приборостроении и автомобилестроении. Ленты БрБ2 также применяются в приборостроении и производстве упругих и пружинящих деталей. Аналогичное применение нашла проволока в машиностроении и приборостроении. Бронза БрБ2 используется в различных областях производства. Из неё изготавливают антифрикционные детали и пружинящие детали: пружинящие детали и пружины. Из неё изготавливают детали ответственного назначения. Также из неё изготавливают неискрящие инструменты.

Технологические характеристики позволяют изготавливать из бериллиевых бронз сложные отливки высокого качества, но обычно детали из них производят из заготовок, подвергнутых предварительной пластической деформации (листы и полосы, проволока, ленты и др). Широкое применение сплавов бериллиевой группы обусловлено еще и тем, что они хорошо поддаются различным видам обработки, а для соединения деталей из них можно использовать все известные способы (сварка и пайка).

Пайку бериллиевых бронз следует выполнять сразу же, как была выполнена тщательная механическая зачистка соединяемых элементов. В качестве припоя при выполнении такой технологической операции используются сплавы на основе серебра, а в защитном флюсе, использование которого необходимо, должны в обязательном порядке содержаться фтористые соли. Высокое качество пайки деталей из данных сплавов обеспечивает технология, предполагающая выполнение соединения в вакууме и использование слоя защитного флюса.

Детали из бериллиевых бронз не соединяют при помощи электродуговой сварки, для этого успешно используют другие технологии: точечную, шовную, роликовую и сварку в среде инертных газов. Такое ограничение в применении электродуговой сварки обусловлено тем, что сплавы данной группы обладают большим температурным интервалом кристаллизации. Кроме этого, сварку бронз бериллиевой группы нельзя выполнять после термической обработки, что обусловлено их особыми механическими свойствами.

Детали из бериллиевой бронзы не истираются и в то же время бережно воздействуют на сопрягаемые механизмы, хорошо сопрягаются с друг другом, полируются и идеальным образом взаимодействуют в механизмах при заданных параметрах. Но даже если условия эксплуатации нарушены, детали из БрБ2 способны выдерживать большие нагрузки трения и других механических воздействий. При работе механизмов в ходе изнашивания БрБ2 не откалывается большими кусками, а истирается постепенно, давая очень мелкую стружку.

Коррозионная усталость – это один из показателей коррозионной стойкости металлов. Когда детали работают под воздействием большой массы, циклических динамических нагрузок в коррозионной среде, велика вероятность выхода из строя конструкций, в которых они используются. Сплав БрБ2 хорошо проявляет себя в различных коррозионных средах и может быть использован для изготовления ответственных деталей, так как коррозия проявляется достаточно медленно и не оказывает значительного воздействия на механические и физические свойства деталей из этого материала долгое время. Однако, под действием влажных паров аммиака и воздуха бериллиевые бронзы склонны к межкристаллизационной коррозии и растрескиванию. В газовой среде, насыщенной галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом), на их поверхности образуются галогениды бериллия, из-за чего происходят уменьшение его концентрации в сплаве. Особенно активно процесс взаимодействия с галогенами происходит при повышенных температурах. В связи с этим, бериллиевую бронзу БрБ2 не рекомендуют использовать для изготовления деталей, эксплуатируемых в указанных газах.

Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно упрочняемых сплавов, характерной особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры. При закалке из однофазной области в твердом растворе фиксируется избыточное количество атомов легирующего компонента по сравнению с равновесным состоянием для данной системы. Образовавшийся пересыщенный твердый раствор термодинамически неустойчив и стремится к распаду, процесс активизируется с повышением температуры. Эффект упрочнения определяется дисперсностью выделений образовавшихся при распаде.

Наиболее применяемыми сплавами системы Cu-Be являются сплав БрБ2 (CuBe2, alloy 25, C 17200 по зарубежным спецификациям) содержащий около 2 % бериллия, а также сплавы МНБ (медь-никель-бериллий или CuNi2Be, alloy 11, С17510 по зарубежным спецификациям) и МКБ (медь-кобальт-бериллий или CuСо2Be, alloy 10, С17500 по зарубежным спецификациям),содержащие до 0,8 % бериллия. Сплав БрБ2 также называют высоколегированной бериллиевой бронзой, а сплавы МНБ и МКБ – низколегированной бериллиевой бронзой.

Перечисленные сплавы в закаленном состоянии обладают хорошей пластичностью и технологичностью, а также высокими механическими свойствами в термообработанном (состаренном) состоянии. Дополнительного повышения уровня механических свойств можно добиться пластической деформацией перед старением (НТМО).

Перечисленные особенности лежат в основе применения бериллиевых бронз в промышленности. Полуфабрикат из бериллиевой бронзы в закаленном или закаленном и деформированном состоянии методами штамповки можно превратить в изделие самой сложной формы: подшипниковую опору, пружинный контакт, разъем, мембрану и, проведя старение, резко повысить прочность и пружинные свойства этого изделия, сохранив его форму.

Использование бериллиевых бронз высокоэффективно в тех случаях когда требуется:

• высокая электропроводность;
• высокая теплопроводность;
• высокие прочностные и упругие свойства;
• высокая коррозионная стойкость;
• отсутствие у материала способности к искрообразованию при ударах и ферро-магнитных свойств;

Самой большой областью применения медно-бериллиевых сплавов является их использование в электрических и электронных деталях, в первую очередь в пружинных контактах, переключателях, соединителях, а также в оптико-волоконном телекоммуникационном оборудовании, гнездовых разъемах для соединения интегральных схем с печатной платой. Продолжающееся усложнение компьютерной техники и мобильных устройств является важнейшим фактором, ведущим к миниатюризации электронных деталей. Это приводит к повышению спроса на медно-бериллиевые сплавы, т.е. для этих деталей требуется более мелкие, более легкие и более надежные соединители. Коммуникаторы, смардфоны, мобильные телефоны, планшетники, ноутбуки и другие современные мобильные устройства содержат в себе многие ответственные детали из бериллиевой бронзы.

Электронные детали, содержащие медно-бериллиевые сплавы. применяются в компонентах двигательного отсека, электронных схемах системы безопасности автомобиля.

Производство и степень компьютеризации автомобилей растет. Это приводит к увеличению использования бериллиевых бронз в автомобилестроении.

Здесь используется такие свойства бериллиевых бронз как высокая прочность и антифрикционность, коррозионная стойкость, способность не образовывать искру. Из сплава БрБ2 изготовляют скользящие опоры нефтяных насосов опоры буровых долот, трубы, резьбовые соединения колонны бурильных труб, безискровой вспомогательный инструмент.

Благодаря высокой прочности, хорошей жаропрочности и электропроводности, широкое применение в контактной сварке находят электроды и электрододержатели из низколегированной бериллиевой бронзы. Срок службы этих электродов значительно превышает соответствующий показатель электродов из бронз БрХ. и БрХЦр. (хромовые бронзы) при точечной сварке строительной арматуры, проволоки, листовой углеродистой стали, БрНХК (никел-хром-кремниевая бронза), сплава МН2,5КоКр при точечной сварке проволоки, арматуры, стыковой сварке листовой стали, сварке рельс для магистральных железнодорожных путей и т.п.

Бериллиевые бронзы успешно применяются в плунжерах (поршнях) оборудования для литья под давлением, в т.ч. алюминия, кокилях для литья различных металлов и сплавов, в стенках кристаллизаторов литьевых маши и установок непрерывной разливки сталей. Здесь преимущества бериллиевой бронзы состоят в увеличенном сроке службы и в отсутствии необходимости нанесения дорогостоящего защитного покрытия стенок кристаллизаторов и литейных форм.

Бериллиевые бронзы в этих отраслях служат для изготовления ответственных деталей устройств и машин, подвергающиеся совместному воздействию высоких переменных нагрузок, и переменных температур. Так, в современных самолетах бериллиевая бронза используется при изготовлении большинства приборов, а также элементов шасси и т.п.

Это далеко не полный перечень областей применения сплавов системы медь-бериллий. По мере развития промышленности, появляются новые сферы их применения, а также разрабатываются новые бериллийсодержащие сплавы.

Путём облагораживания изделия из БрБ2 получаются более твёрдыми и более пластичными. Соответственно выпускаются полуфабрикаты в мягком (М) и твёрдом (Т) состоянии. В ходе процедуры закалки металл нагревают до некоторой температуры, после чего остужают в воде. В результате пластичные свойства металла повышаются и его применяют для изготовления деталей путём прокатки, ковки, вытяжки и гибки в холодном состоянии. Также выпускаются полуфабрикаты из БрБ2 с закалкой и холодной деформацией. БрБ2 закаливают при температуре 750-790 °C, после чего сплав отпускают при температуре в пределах 300-350 °C. После холодной деформации механические качества твёрдости, прочности и текучести улучшаются. БрБ2 Т выделяется среди прочих бронз самым высоким показателем прочности на растяжение. Медно-бериллиевый сплав БрБ2, подвергаемый термическому закаливанию, становится более прочным, упругим и пластичным. Первоначально его приводят в мягкое состояние, нагревая до 760-780°С, а затем подвергают старению в воде при температуре 310-330°С в течение 3 часов. При нагревании и последующем охлаждении сплава до комнатной температуры бериллий растворяется в меди с образованием насыщенного твердого раствора. Последующая закалка приводит к его осаждению, в результате чего бронза БрБ2 приобретает высокую твердость до 350 — 400 НВ.

Медь относится к самым распространенным цветным металлам. Она обладает высокими антикоррозийными свойствами как при нормальных атмосферных условиях, так в пресной и морской воде и других агрессивных средах. Однако медь не устойчива в аммиаке и сернистых газах.

Медь легко поддаётся обработке давлением и пайкой. Обладая невысокими литейными свойствами, медь тяжело режется и плохо сваривается. На практике медь используется в виде прутков, листов, проволоки, шин и труб.

Бескислородная М0 (0,001% O2) и раскисленная М1 (0,01% О2) медь широко применяется в электронике, электровакуумной технике, в электротехнической промышленности.

Сплавы, содержащие в своём составе медь, обладают высокими антикоррозийными свойствами, хорошо сопротивляются износу и имеют высокие технические и механические характеристики.

Медь бывает разных марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Марки меди определяются чистотой её содержания.

В меди марок М1р, М2р и М3р содержится 0,01% кислорода им 0,04% фосфора. В составе меди марок М1, М2 и М3 процентное содержание кислорода составляет 0,05-0,08 %.

Марка М0б характеризуется полным отсутствием кислорода. Процентное содержание кислорода в марка МО составляет до 0,02%.

Как примеси влияют на свойства меди

В зависимости от того, как примеси взаимодействуют с медью, они подразделяются на три группы:

· Примеси, которые образуют с медью твёрдые растворы – никель, сурьма, алюминий, цинк, железо, олово и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на электропроводность и теплопроводность меди, снижая их. Ввиду этого в качестве проводников тока используют медь М0 и М1, в состав которых входит не более 0,002 As и 0,002 Sb. Горячая обработка давлением затрудняется, если в ней содержится сурьма.

· Примеси, которые практически не растворяются в меди – висмут, свинец и др. Практически не влияют на электропроводность меди, но затрудняют её обработку давлением.

· Хрупкие химические соединения, образующиеся в примеси меди с серой и кислородом. Кислород, входящий в состав меди, в значительной мере снижает её прочность и уменьшает электропроводимость. Сера способствует улучшению обрабатываемости меди резанием.

Бронзой называется сплав меди с алюминием, кремнием, оловом, бериллием и другими элементами, кроме цинка. Бронзы бывают алюминиевыми, кремниевыми, оловянными, бериллиевыми и т.д. – в зависимости от легирующего элемента.

Маркировка бронзы представляет собой определенную последовательность, начинающуюся с буквосочетания «Бр», после которого указываются легирующие элементы. Легирующие элементы перечисляются, начиная с элемента, который находится в максимальном процентном содержании относительно остальных.

Все бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные

Оловянные бронзы

Оловянные бронзы применяются в химической промышленности и в качестве антифрикционных материалов благодаря высоким антикоррозийным и антифрикционным свойствам.

Легирующие элементы оловянных бронз – фосфор, цинк, никель. Цинк, входящий в состав оловянных бронз в количестве до 10%, служит для того, чтобы стоимость бронз стала меньше. Фосфор и свинец способствуют повышению антифрикционных свойств бронзы и улучшают их обрабатываемость резанием.

Литейные оловянные бронзы применяются:

· Деформированные бронзы — БрОФ6,5-0,4; БрОЦ4-3; БрОЦС4-4-2,5 – используются в качестве пружин, антифрикционных деталей, мембран

· Литейные бронзы — БрО3Ц12С5, БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17 – используются в антифрикционных деталях, арматуре общего назначения

Безоловянные бронзы

– это двойные или многокомпонентные бронзы без олова, в состав которых входя такие элементы как марганец, алюминий, свинец, железо, никель, кремний, бериллий.

Алюминиевые бронзы

обладают высокими технологическими и механическими свойствами, коррозийной стойкостью в условиях тропического климата и в морской воде. Для глубокой штамповки на практике используют однофазные бронзы, двухфазные бронзы применяются в виде фасонного литья и подвергают горячей деформации.

Алюминиевые бронзы, обладая более низкими литейными свойствами в сравнении с оловянными бронзами, способствуют более высокой плотности отливок.

Кремнистые бронзы

. Кремний, входящий в состав бронзы (до 3,5%), повышает её пластичность и прочность. В сочетании с марганцем и никелем коррозийные и механические свойства кремнистых бронз повышаются. Они широко применяются при работе в агрессивной среде, для изготовления пружинящих деталей, которые должны работать при температуре до 2500°C.

Бериллиевыне бронзы

обладают высокой прочностью благодаря термической обработке. Для них характерны высокие характеристики упругости, предела текучести и временного сопротивления, устойчивы к коррозии. Применяются в электронной технике, для пружинящих контактов, мембран, деталей, которые работают на износ.

Свинцовые бронзы

представляют собой сплавы, состоящие из включения свинца, который практически не растворяется в меди, и кристаллов меди. Высокие антифрикционные свойства свинцовых бронз позволяют применять их для изготовления деталей, которые работают в условиях больших скоростей и повышенного давления (вкладыши подшипников скольжения). За счёт высокой теплопроводности, свинцовые бронзы БрС30 способствуют отведению теплоты, возникающей при трении.

Бронзы, легированные оловом и никелем, отличаются повышенными коррозийными и механическими свойствами.

Безоловянные бронзы применяются:

· Алюминиевые бронзы — БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрА9Ж3Л, БрА10Ж3Мц2 – применяются для обработки давлением, в качестве деталей химической аппаратуры, арматуры и антифрикционных деталей

· Кремниевые бронзы — БрКМц3-1- применяются в качестве проволоки для пружин, лент, арматуры

· Бериллиевая бронза — БрБ2 – используется как прутки, проволоки для пружин, ленты, полосы

· Свинцовая бронза- БрС30- применяется в антифрикционных деталях

Сплав меди с цинком, процентное содержание цинка в котором составляет от 5 до 45%, называется латунью. Латунь, в состав которой входит 2-20% цинка, называется томпак или красная латунь. Если содержание цинка равно 20-36%, то такая латунь называется жёлтой. Латуни, с более чем 45% цинка в своём составе, применяются крайне редко.

Классификация латуней:

· Простые (двухкомпонентные) – сплавы которые состоят из цинка и меди с незначительными примесями других элементов;

· Специальные (многокомпонентные) латуни в своём составе помимо меди и цинка включают ряд других легирующих элементов.

Двухкомпонентные латуни обозначаются заглавной буквой «Л», за которой следует двузначная цифра, определяющая среднее значение процентного содержания меди в сплаве (Л80-латунь, в состав которой входит 80% меди и 20% цинка).

Простые латуни легко поддаются обработке давлением. Обычно, они поставляются в виде труб и трубок, отличающихся по форме сечения, в виде лент, полос, проволоки, листов. Для изделий из латуни, обладающих высоким внутренним напряжением, характерно растрескивание, которого можно избежать, если перед длительным хранением провести отжиг при низких температурах (200-300°C).

Многокомпонентные латуни представлены в большей разновидности, чем простые.

Маркировка специальных латуней начинается с заглавной буквы «Л», после которой обозначается последовательность легирующих элементов сплава (за исключением цинка) и их процентное содержание, начиная с преобладающего в сплаве элемента. Количество цинка определяется в соответствии с разницей от 100%.

Легирующие элементы латуни, среди которых основными являются кремний, марганец, свинец алюминий, железо и никель, оказывают существенное влияние на свойства латуней:

· Олово способствует повышению прочности и коррозийной стойкости латуней в морской воде;

· Марганец (особенно сочетаясь с оловом, железом и алюминием), а также никель повышают устойчивость сплава к коррозии и его прочность;

· Свинец, входящий в состав сплава, ухудшает его механические свойства, обеспечивая при этом лёгкость в обработке резанием, поэтому латуни, которые предполагают дальнейшую обработку см помощью станков-автоматов, имеют именно свинец в качестве основного легирующего элемента;

· Содержание кремния в сплавах из латуни негативно сказывается на их прочности и твёрдости. Однако если латуни легированы одновременно свинцом и кремнием, их антифрикционные свойства повышаются, и такие латуни могут заменить более дорогостоящие сплавы (например, оловянные бронзы).

Специальные латуни применяются:

· Деформируемые латуни ЛАЖ60-1-1 применяются в качестве прутков, труб, ЛЖМц59-1-1 и ЛС59-1 в качестве труб, прутков, полос, проволоки

· Литейные латуни ЛЦ40Мц3Ж применяются в деталях, сложных по своей конфигурации, гребных винтах и лопастях и др.; ЛЦ30А3- детали, устойчивые к коррозии; ЛЦ40С нашли применение в арматуре, сепараторах шариковых втулках и др.

Бериллиевая бронза – это дисперсионно-упрочняемый сплав системы «медь–бериллий» (Cu–Be) с содержанием бериллия от 1,6 до 3 процентов. Также к таким бронзам причисляют системы «медь–бериллий–кобальт» (сокращенно – МКБ) и «медь–бериллий–никель» (МНБ). МКБ и МНБ могут содержать не более 0,8 процентов бериллия.

Особенность бериллийсодержащих бронз заключается в том, что с изменением температуры растворимость легирующих элементов, имеющихся в них, также изменяется. В твердом растворе при закалке из однофазной зоны отмечается образование повышенного числа атомов легирующей добавки (если сравнивать их количество при состоянии равновесия конкретной системы). Получающийся в результате этого процесса твердый пересыщенный раствор с точки зрения термодинамики является неустойчивым.

При малейшем изменении условий он распадается. С увеличением температуры процесс распада становится более интенсивным, с уменьшением – замедляется. Упрочняющий эффект зависит от величины дисперсности выделений, которые формируются при распаде указанного раствора.