Бериллиевая бронза — состав, свойства, марки и применение сплава

Сплав, состоящий из меди и бериллия и подвергнутый термической обработке называют бериллиевой бронзой, обладающей уникальными свойствами, и нашедшей применение в современном смартфоне и телефоне.

1 Сплав бериллия с медью – что он собой представляет?

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.

Фото бериллиевой бронзы

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.

На фото — бериллийсодержащие бронзы

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.

Термическая обработка бериллиевой бронзы

Предельная растворимость бериллия в меди в двойной системе Cu-Be при 870°С составляет 2,7% (по массе), и она резко уменьшается с понижением температуры. Это указывает на возможность применения упрочняющей термообработки к меднобериллиевым сплавам. Бериллиевые бронзы являются дисперсионно-твердеющими сплавами, причем эффект упрочнения при термической обработке у них максимальный среди всех сплавов на медной основе. Они подвергаются закалке и последующему старению.

Технологические свойства и режимы обработки бериллиевых бронз

Марка	Температура, °С					Обрабаты­ваемость резанием, % (ЛС63-3 — 100%)	Линейная усадка, %	Коэффициент трения
	литья	горячей обработки	отжига	закалки	старения			со смазкой	без смазки
1) Низкотемпературный отжиг для повышения упругих характеристик, рекристаллизационный отжиг проводят при температурах 600–700°С.
БрБ2	1030‑1060	700‑800		760‑780	320	20	1,8	0,016	0,35
БрБ 2,51)	1030‑1060	700‑800	—	770‑790	300	—	—	—	—
БрБНТ 1,7	1030‑1060	700‑800	—	755‑775	300	—	—	—	—
БрБНТ1,9	1030‑1060	700‑800	—	760‑780	320	—	—	—	—

При термической обработке бериллиевых бронз существенным является выбор температуры нагрева под закалку (Tзак). Ее значение определяет полноту перевода легирующих элементов в твердый раствор и возможность его гомогонизации. С точки зрения указанных факторов, предпочтительно повышение температуры закалки.

Нагрев под закалку выше оптимальной температуры способствует дополнительному пересыщению твердого раствора бериллием (особенно для сплава БрБ2,5) и вакансиями. Оба эти фактора ускоряют распад твердого раствора при последующем старении, но повышение температуры закалки приводит к росту зерен α-твердого раствора, что приводит к понижению пластичности и упругих свойств и ухудшает штампуемость. Для получения мелкого зерна при нагреве до температуры закалки в структуре бронзы должно сохраняться некоторое количество равномерно распределенных включений избыточной β-фазы, которые препятствуют собирательной рекристаллизации α-твердого раствора. Получению мелкозернистой сгруктуры способствует также никель: дисперсные частицы фазы NiBe не растворяются полностью при нагреве под закалку и сдерживают рост зерен α-раствора.

Диапазон температур нагрева под закалку бериллиевых бронз составляет 760—800°С. Выше указанных температур бронзы нагревать не следует из-за опасности роста зерен и ухудшения служебных характеристик сплава. Нагрев под закалку ниже оптимальной температуры уменьшает пересыщение α-твердого раствора бериллием в закаленном сплаве и интенсифицирует прерывистый распад при старении с образованием грубой двухфазной структуры с некогерентным выделением γ-частиц в приграничных участках. Закалка с низких температур стимулирует прерывистый распад особенно сильно при высокотемпературном старении (выше 350°С). Локализованный в приграничных участках прерывистый распад твердого раствора приводит к охрупчиванию сплава.

Свойства бронзы

Если провести сравнение с латунью, то бронза характеризуется более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными свойствами. Она довольно стойкая на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот. Большинство видов бронзы поддаётся сварке и пайке твёрдыми и мягкими припоями.

В зависимости от количества добавок цвет бронзы может быть от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы влияют на свойства бронзы. Олово, никель, кремний и алюминий увеличивают прочность, стойкость к коррозии, а также упругие свойства бронз. В сочетании со свинцом, цинком и фосфором повышаются и антифрикционные свойства. Никель и железо значительно измельчают зерно и увеличивают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов и немного снижают электропроводность.

Давайте вкратце ознакомимся с наиболее часто используемыми видами бронзы.

• Бериллиевая бронза является лидером по показателю твёрдости среди других сплавов меди. В закалённом состоянии обладает хорошей пластичностью, технологичностью, а в состаренном состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты.
• Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивным факторам окружающей среды и химическим элементам, хорошей стойкостью к морской воде. Такой вид бронзы поддаётся обработке режущими инструментами. Из неё изготавливают ленты и полосы труб.
• Кремнецинковая бронза позволяет изготавливать изделия сложных форм, за счёт повышенной текучести в расплавленном состоянии. Такая бронза обладает высокой степенью сопротивления сжатия и не искрит при механических воздействиях.
• Свинцовистая бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, хорошо противостоит ударным нагрузкам, а также отличается высокой прочностью и тугоплавкостью. Применяется она для сильно нагруженных подшипников.
• Оловянная бронза обладает всеми указанными выше свойствами и является наиболее широко применяемой в современной промышленности. 

2 Особые свойства системы медь–бериллий

Самым распространенным представителем бронз интересующего нас класса является сплав БрБ2, который принято называть высоколегированной бронзой (в ней присутствует порядка двух процентов легирующего бериллия). А вот композиции МКБ и МНБ часто именуют низколегированными бериллиевыми сплавами из-за относительно малого содержания в них Ве. Также востребованностью пользуется бронза марки БрВ2,5 (содержание легирующего компонента – 2,5 процента).

Можно выделить такие основные свойства описываемых сплавов:

• повышенная тепло- и электропроводность, ненамного уступающая теплопроводности меди;
• отличный уровень противодействия износу, ползучести и усталости;
• высокий предел упругости;
• отсутствие искр при ударах;
• повышенная коррозионная стойкость, показатель твердости и временного сопротивления.

Все эти свойства становятся еще лучше в тех случаях, когда бериллиевые сплавы подвергают закалке и другим видам термообработки (в частности, искусственному старению). Максимальной пластичности описываемые бронзы достигают после закалки, выполняемой при температуре около 775 градусов. В подобном состоянии сплав отличается легкостью деформирования.

Фото бериллиевого сплава с бронзой

Стандартная величина сопротивления (временного) распространенной композиции БрБ2 равняется 450 МПа. Она повышается практически вдвое при пластическом деформировании сплава на 40 %. Механические характеристики систем «медь–бериллий» становятся очень высокими после старения, которое производится следом за процессом закалки (например, сопротивление упомянутого сплава БрБ2 становится равным 1400 МПа).

Важные для промышленности свойства интересующих нас сплавов не ограничиваются указанными характеристиками. Кроме всего прочего, бронзы, в коих присутствует бериллий, обладают отличной теплостойкостью. Изделия из них функционируют без изменения своих возможностей при температурах до +340 °С. А при более высоких температурах (около +500°) механические показатели бериллиевых сплавов идентичны показателям алюминиевых и оловянно-фосфористых композиций при температуре эксплуатации +20°.

Рассматриваемые бронзы подходят для выпуска из них фасонных отливок хорошего качества. Но обычно такие сплавы изготавливаются в виде разнообразных полуфабрикатов, прошедших операцию деформирования (проволока, тонкая лента, полосы и так далее). Бериллиевые сплавы поддаются без особых проблем механической обработке (пайка, сварка, резка), правда, существуют и определенные ограничения на выполнения указанных операций.

На фото — фасонные отливки из бериллиевой бронзы

Так, пайка бронз с бериллием по сравнению с обработкой иных композиций на основе меди считается более трудной.

Бериллиевые сплавы необходимо паять сразу же после того, как была выполнена их зачистка (механическая). При этом используется флюс и специальные серебряные припои. Заметим, что в применяемом флюсе обязательно должны присутствовать фтористые соли. В последние годы широкое распространение получила именно вакуумная пайка бронз под слоем флюса, гарантирующая уникальное качество соединения.

Электродуговая сварка бериллиевых сплавов сейчас почти не используется, что связано с их большим кристаллизационным температурным интервалом. А вот их роликовая, точечная, шовная сварка и сварка в инертной атмосфере освоены достаточно хорошо. Добавим, что особые механические свойства систем «медь–бериллий» не позволяют осуществлять сварочные работы после термической обработки бронз. Об этом обязательно нужно помнить, разрабатывая технологию их сварки.

Где используются сплавы данной группы

Бронзы медно-бериллиевой группы находят широкое применение в тех областях, в которых от деталей требуется их соответствие особым характеристикам. Объясняется это не только их уникальными эксплуатационными свойствами, но и дороговизной их производства.

Наиболее распространенными областями применения сплавов бериллиевой группы, является производство электронных и электрических компонентов:

• телекоммуникационного оборудования, монтажа оптико-волоконных сетей;
• соединительных элементов, пружинных контактов;
• разъемов гнездового типа, элементов интегральных микросхем.

Детали, изготовленные из бронз медно-бериллиевой группы, сегодня можно встретить практически в любом компьютерном устройстве, планшете, смартфоне и сотовом телефоне.

Исключительные антикоррозионные свойства бериллиевых бронз, их прочность и антифрикционные характеристики делают их оптимальным материалом для производства элементов нефтеперерабатывающего оборудования и буровых установок. В частности, из них производят трубы для бурильных установок, элементы резьбовых соединений, опоры для установки насосов, использующихся для перекачки нефти и продуктов ее переработки.

Гаечный ключ взрывобезопасный из бериллиевой бронзы

Свойства сплавов на основе бериллия и меди позволяют применять их для производства следующих изделий.

• Элементов электронных устройств, двигателей и других систем, использующихся для оснащения современных транспортных средств.
• Деталей самолетов и различного оборудования, работающих в условиях переменных нагрузок и скачков температур. Бериллиевые бронзы используются для изготовления деталей шасси летательных средств, элементов навигационного оборудования, других ответственных изделий.
• Электродов и сварочных стержней для оснащения оборудования контактной сварки. Целесообразность использования низколегированных бериллиевых бронз для производства подобной продукции обусловлена их исключительной жаропрочностью и электропроводностью. Важно и то, что электроды, изготовленные из данного материала, характеризуются длительным сроком эксплуатации по причине высокой износостойкости.

Из бронз медно-бериллиевой группы также производят поршни для оснащения оборудования, на котором выполняются операции литья под давлением, стенки камер для кристаллизации литейных заготовок, кокили для литья деталей из различных металлов. Использование бериллиевой бронзы для производства подобной продукции, позволяет не применять дополнительных приспособлений для обеспечения защиты их стенок, испытывающих значительные механические и термические нагрузки.

Области применения и маркировка

Существуют специальные таблицы, в которых приводятся маркировки и описания всех бронзовых сплавов, выпускаемых промышленностью. Однако, даже не обращаясь к подобным таблицам, можно определить тип и химический состав, если знать, как расшифровывается её маркировка.

По простой маркировке можно узнать их состав. Характерным её признаком в обозначении являются буквы «Бр», что означает «Бронза».

Далее за ними следуют буквы, обозначающие, помимо меди, наличие соответствующих компонентов. Эти буквенные обозначения, установленные нормативными документами, следующие: А — алюминий, Б — бериллий, К — кремний, Ж — железо, Н — никель, Мц — марганец, Мг — магний, С — свинец, О — олово, Т — титан, Ф — фосфор, Ц — цинк.

После буквенных обозначений через дефисы идут числа, обозначающие процентное содержание каждого компонента (после меди). А также применяются обозначения, в которых после каждой буквы указывается процентное содержание того или иного компонента. Чтобы узнать содержание меди, нужно из 100% вычесть процентное содержание всех компонентов.

Вот примеры маркировок и их расшифровок: БрО5Ц6С5 — бронзовый сплав, в котором содержание олова составляет 5%, цинка — 6%, свинца — 5%, меди — 84%; БрО3Ц8С4Н1 — содержание олова — 3%, цинка — 8%, свинца — 4%, никеля — 1%, меди — 84%; БрО10Ф1 — содержание олова — 10%, фосфора — 1%, меди — 89%; БрБ2 — содержание бериллия — 2%, меди — 98%; БрАЖМц10−3−1,5 — содержание алюминия — 10%, железа — 3%, марганца — 1,5%, меди — 85,5%; БрАЖН10−4−4 — содержание алюминия — 10%, железа — 4%, никеля — 4%, меди — 82%.

Благодаря своим разнообразным свойствам этот металл находит самое широкое применение в различных сферах. Из него изготавливают следующие изделия:

• элементы декора (светильники, статуэтки, подсвечники, пепельницы, решётки, украшения перил и прочие);
• различную фурнитуру (замки, ручки, накладные петли, краны, смесители и прочую сантехнику);
• детали машин и механизмов (втулки, уплотнители, шестерни, подшипники, части аппаратуры, работающие под водой);
• детали для высокоточной техники, навигационных приборов, схем автомобилей;
• многочисленные фитинги (отводы, углы, переходники, муфты, тройники и прочее);
• в незначительном количестве ювелирные украшения.

Бронза широко применяется в ракетной технике и машиностроении, авиации и судостроении. Из неё делают предметы высокохудожественного искусства для театров, залов и дворцов, отливают памятники и скульптуры.

Благодаря развитию металлургии, этот металл приобретает всё новые и необычные свойства, недоступные кузнецам и металлургам прошлого. Изобретённый древними, сплав продолжает исправно служить человечеству и прогрессу на протяжении многих и многих веков.

Немного слов в заключение

Из всего вышесказанного можно сделать следующее заключение — на бронзы этого класса практически не оказывает влияние время и коррозия. Более того, с течением времени, бронза не теряет своих механических и других свойств. Уникальные параметры этого материала обеспечивают тепло — и электропроводность не уступающую, чистой меди.

Все это позволяет применять в технически сложных конструкция и можно сказать, что многие товаропроизводители применяют этот материал для повышения качества своей продукции.

:

/5 — голосов

Легирование бериллиевых бронз

Легирование бериллиевых бронз направлено на улучшение их свойств. В качестве легирующих элементов используют Ni, Co и Ti. Эти элементы подавляют прерывистый распад и замедляют непрерывный. Такое влияние никеля и кобальта связывают с тем, что эти элементы, имеющие меньший атомный радиус, чем медь, уменьшают период решетки α-раствора, что приводит к сохранению когерентности матрицы и выделений, т.е. к отностильной стабилизации γ’-фазы. Кроме того, Ni и Ti могут образовывать соединения типа NiВе, Cu3Тi, которые обеспечивают дополнительное упрочнение.

Бериллиевые бронзы отличаются высоким сопротивлением малым пластическим деформациям из-за сильного торможения дислокаций дисперсными частицами, выделившимися из твердого раствора при старении, а следовательно, они имеют высокий предел упругости. С увеличением этого сопротивления уменьшаются микропластические деформации при заданном напряжении и. следовательно, уменьшается релаксация напряжений. Все это приводит к повышению релаксационной стойкости сплавов — основной характеристики, определяющей свойства упругих элементов.

Бериллиевые бронзы часто подвергают низкотемпературной термомеханической обработке (НТМО), заключающейся в применении пластической деформации между операциями закалки и старения. В этом случае деформация закаленного сплава обеспечивает равномерный распад по всему объему твердого раствора при старении и получение высоких упругих характеристик.

Видео — как делают бронзовые статуэтки

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...