Бронзы,структура, свойства,применение

           Московский Государственный Технический Университет

                                            им.Н.Э.Баумана 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

              Реферат  по

       материаловедению

“Бронзы,структура,

свойства,применение.” 
 
 
 
 
 

                                                                 Выполнила: Горбунова Юлия

                                                                             Группа Э9-41

                                                                 Преподаватель: Герасимов С.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                Москва 2003

                                             Бронза. 

          Бронза - это сплавы меди с оловом в различных пропорциях (медь в избытке), затем сплавы меди с оловом и цинком, а также некоторыми другими металлами или металлоидами (свинцом, марганцем, фосфором, кремнием и др., в небольших количествах). Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой). Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры — их процентное содержание. Марки обозначаются следующим образом: первые буквы в марке означают: Бр. – бронза; буквы, следующие за Бр., означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор.  Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов.

В марках бронзы содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают  среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом. Например, Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al , 4% Fe и 4% Ni  (и 82% Cu); Бр. КМц3-1 означает бронзу с 3% Si , и 1% Mn (и 96% Cu).

         Присутствие посторонних металлов в настоящей бронзе (сплавах меди с оловом) носит иногда случайный характер и обуславливается неполной чистотой исходного материала, но обыкновенно прибавка известного количества тех или других веществ производится заведомо, с определенными целями, и тогда такая бронза получает особые названия (марганцовая бронза, фосфорная бронза и т.д.). От прибавки олова медь становится более легкоплавкой, твердой, упругой, а, следовательно, способной к полировке, но менее тягучей, а потому бронза, главным образом, идет на отливку различных предметов. Качества бронзы зависят от состава, способов приготовления и последующей обработки. Если сплавы меди с оловом, содержащие от 7% до 15% последнего и наиболее употребительные в практике, подвергнуть медленному охлаждению, то происходит разделение сплава и часть более богатая медью застывает ранее; такое явление, называемое ликвацией бронзы. Разделение до известной степени можно устранить прибавкой некоторых веществ (напр., фосфористой меди, цинка) или быстро охлаждая отлитые предметы (обратно, примесь свинца обусловливает более легкое разделение сплава, так что следует избегать прибавки этого последнего свыше 3%). При закалке бронзы происходит явление совершенно обратное тому, которое наблюдается для стали: бронза становится мягкой и до известной степени ковкой.

     Цвет  бронзы, с увеличением процентного  содержания олова, переходит из красного (90% - 99% меди) в желтый (85% меди), белый (50%) и стально-серый (до 35% меди). Что  касается тягучести, то при 1% - 2% олова  сплавы ковки на холоду, но менее, нежели чистая медь; при 5% олова бронзу можно ковать только при температуре красного каления, а при содержании свыше 15% олова ковкость совершенно пропадает; сплавы с очень большим процентом олова опять становятся несколько мягкими и вязкими. Сопротивление разрыву зависит частью от состава, частью от агрегатного состояния, обусловливаемого способом охлаждения; при полной однородности и одинаковом составе, бронза с мелко кристаллическим строением обладает большею способностью сопротивления.  

                           Классификация бронз.

             Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).

            По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах. 

                                  Легирующие элементы.

            В качестве легирующих элементов в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы. Бронзы, в которых легирующие элементы входят в твердый раствор, упрочняют деформационным наклепом. Последующим низкотемпературным отжигом (250— 300° С) могут быть повышены их упругие свойства. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной их растворимостью в α-твердом растворе, упрочняют дисперсионным твердением. К этому классу относится также бронза марки БрАЖН10-4-4.

            Из перечисленных элементов олово, алюминий, никель и кремний главным образом повышают прочность, упругие свойства и коррозионную стойкость бронз, а в сочетании с другими элементами (свинцом, фосфором, цинком) также и антифрикционные свойства. Железо и никель сильно измельчают зерно и повышают температуру рекристаллизации бронз. Марганец и кремний повышают их жаростойкость. Бериллий, хром и цирконий, особенно после закалки и старения, повышают прочностные свойства сплавов, одновременно незначительно снижая их электропроводность. Эти элементы существенно повышают жаропрочность бронз. Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями. 
 
 

                                    Виды бронз.

        Оловянные бронзы. Из диаграммы состояния Cu – Sn следует, что предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8 % (рис.10.11а). Сплавы этой системы характеризует склонность к неравновесной кристаллизации, в результате чего в реальных условиях охлаждения значительно сужается область α-твердого раствора, его концентрация практически не меняется с понижением температуры, не происходит эвтектоидного превращения δ -фазы. (см.штриховые линии диграммы) и при содержании олова более 6 – 8 %  в структуре сплавов присутствует эвтектоид (α + δ), где δ-фаза – электронное соединение Cu Sn со сложной кубической решеткой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью. Появление δ-фазы в структуре бронз вызывает резкое снижение их вязкости и пластичности(рис.10.11б). Поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10 % Sn.

          Двойные оловянные бронзы применяют  редко, так как они дороги. Широкий температурный интервал кристаллизации обусловливает у них большую склонность к дендритной ликвации, низкую жидкотекучесть, рассеянную усадочную пористость и поэтому невысокую герметичность отливок.

           Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, P. В бронзы добавляют от 2 до 15 % Zn. В таком количестве цинк полностью растворяется в альфа-твердом растворе, что способствует повышению механических свойств. Уменьшая интервал кристаллизации оловянных бронз, цинк улучшает их жидкотекучесть, плотность отливок, способность к сварке и пайке. Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, изностойкость улучшается. Кроме того, он увеличивает временное сопротивление, предел упругости и выносливость бронз.

          Бронзы хорошо обрабатываются  резанием, паяются, хуже свариваются. 

        Среди медных сплавов оловянные бронзы  имеют самую низшую литейную усадку (0,8 % при литье в песчаную форму и 1,4 % при литье в металлическую форму), поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Двойные и низколегированные литейные бронзы содержат 10 % Sn. Для удешевления оловянных бронз содержание олова в некоторых стандартизованных литейных бронзах снижено до 3 – 6 %. Большое количество Zn и Pb повышает их жидкотекучесть, улучшает плотность отливок, антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Структура оловянных бронз (БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17, БрО10Ц2 и др.) полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрикционных сплавов. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением. Рассеянная пористость не мешает этому, поскольку у поверхности отливок имеется зона с мелкозернистой структурой, обладающая высокой плотностью. При усовершенствовании технологии получают отливки, выдерживающие давление до 30 МПа.

            Деформируемые бронзы содержат  до 6 – 8 % Sn. В равновесном состоянии они имеют однофазную структуру (α – твердого раствора)(рис.10.12а). В условиях неравновесной кристаллизации наряду с твердым раствором может образоваться небольшое количество δ-фазы. Для устранения дендритной ликвации и выравнивания химического состава, а также улучшения обрабатываемости давлением применяют диффузионный отжиг, который проводят при 700-750 ° С. При холодной пластической деформации бронзы подвергают промежуточным отжигам при 550 – 700 º С. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.

         Деформируемые бронзы обладют  высокими упругими свойствами  и сопротивлением усталости. Их  используют для изготовления  круглых и плоских пружин в  точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            Безоловянные бронзы по своим свойствам не уступают, а по некоторым превосходят оловянные бронзы, и поэтому их широко применяют в машиностроении и других отраслях промышленности. Бронзы используют для изготовления арматуры, всевозможных шестерен, подшипников, втулок, баков, резервуаров и других ответственных деталей и узлов машин и аппаратов. 

           Фосфорная бронза, предложенная Кюнцелем в 1871 г., состоит из 90% меди, 9% олова и 0,5% - 0,5% фосфора; употребляется для отливки пушек, колоколов, статуй, подшипников, различных частей машин и т.п. Прибавка фосфора (в виде фосфорной меди или олова) увеличивает упругость бронзы, сопротивление разрыву и твердость; расплавленный металл легко отливается и хорошо выполняет углубления формы. Изменяя весовые отношения составных частей, можно придать сплавам желаемые свойства: сделать их мягкими как медь или вязкими как железо, и твердыми как сталь; от ударов и толчков строение фосфористой бронзы не меняется; при содержании фосфора свыше 0,5% цвет ее золотистый. 

           Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами – меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства. Например, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации. Вместе с тем из-за большой усадки иногда трудно получить сложную фасонную отливку.

          Медь с алюминем образует α-твердый  раствор (рис.10.13), концентрация которого при понижении температуры с 1035 до 565 ° С увеличивается от 7,4 до 9,4 % Al. При 565 º С β – фаза претерпевает эвтектоидное превращение: β→α+γ , где γ  - промежуточная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            При реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре сплавов при содержании 6 – 8 % Al. Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности алюминиевых бронз. С увеличением содержания алюминия до 4 – 5 % наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, которая затем резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10 – 11 % (рис.10.13б).