Тема 9 цветные сплавы

Описание журнала

Журнал Фундаментальные проблемы современного материаловедения основан в 2003 г. В журнале публикуются работы, посвященные фундаментальным вопросам материаловедения и физики конденсированного состояния. Перечень основных тематик журнала включает важнейшие направления, по которым развивается современное физическое материаловедение. Периодичность выхода — раз в квартал.

Включение в каталоги

Журнал включен в Перечень ВАК ведущих российских рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (редакция от 02.02.2016).

Журнал включен в каталог периодических изданий Ульрих от 18.02.2015 г., в перечень журналов, вошедших в ядро РИНЦ и в список 650 российских журналов, вошедших в Russian Science Citation Index (RSCI), представленный на платформе Web of Science. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям Ulrichs Periodicals Directory.

Рубрики журнала

Содержание журнала включает следующие рубрики:

РАЗДЕЛ 1. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ:

• 1.3.8. Физика конденсированного состояния (физико-математические науки) (с 01.02.22)

РАЗДЕЛ 2. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ:

• 2.6.1. Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) (с 01.02.22)

Выставка Testing&Control

октября 2023

Компания Остек-АртТул приглашает на выставку Testing&Control. С 24 по 26 октября приглашаем посетить стенд F205 на 20-й юбилейной Международной выставке испытательного и контрольно-измерительного оборудования Testing&Control.

Выставка Testing&Control будет интересна специалистам – представителям промышленных, научно-исследовательских лабораторий, отделов технического контроля предприятий химической, металлургической, нефтегазовой, фармацевтической, приборостроительной, электротехнической, машиностроительной отраслей.

На стенде компании Остек-АртТул будут представлены:

• Оптико-эмиссионный спектрометр Arun Merlin 4
• Портативный рентгенофлуоресцентный анализатор Arun HELIUS 300
• Портативный лазерный спектрометр Arun Calibus 5

Чтобы бесплатно посетить выставку, получите электронный билет на сайте www.testing-control.ru, указав промокод ostec23.

До встречи на выставке Testing&Control!

Компания SHENZEN JUFENG SOLDER Co., Ltd

Компания SHENZEN JUFENG SOLDER Co., Ltd — это высокотехнологичное китайское предприятие, занимающееся исследованиями, разработкой, производством паяльных материалов. Компания JUFENG была основана в 2006 году в период начала перехода к бессвинцовым способам пайки. Каталог продукции включает в себя паяльные пасты, проволочный припой, брусковый припой паяльные шарики, флюс для пайки, паяльную пасту и порошковый припой, в том числе как свинцовые, так и бессвинцовые проволочные и прутковые припои. Данные продукты широко используются в профессиональной пайке электрического оборудования и инструментов.

JUFENG: качественные продукты новой эры сварки в микроэлектронике

JUFENG является компанией, сертифицированной по стандартам ISO9001:2000 и ISO9001:2008. Многие продукты, производимые компанией и безопасные для окружающей среды, соответствуют стандартам SGS, RoHS и другим сертификатам.

Сертификация и контроль качества продукции

Компания обладает передовым производственным и контрольным оборудованием, таким как станок для намотки оловянного припоя, спектрометр для материалов пайки и другое. Каждый этап производства, начиная с закупок сырья и заканчивая переработкой, проходит тщательную проверку и надзор для обеспечения высокого качества, в соответствии со стандартами ISO9001:2015 и IPC.

Экологическая ответственность и перспективы развития

JUFENG следует тенденциям рынка и направляет свои усилия на предоставление высокотехнологичных и экологически безопасных продуктов в области сварки в микроэлектронике. Компания является глобальным поставщиком, экспортирующим товары в более чем 100 стран и регионов.

Исследования и разработки технологий сварки

Фокус компании на исследования и разработку технологий сварки позволил JUFENG глубоко понять микроструктуры металлов и представить серию бессвинцовых продуктов и материалов для пайки. Инженеры компании используют передовое оборудование для производства бессвинцового проволочного припоя Sn96.5-Ag3.0-Cu0.5 с минимальным диаметром 0,1 мм.

Экологическая перспектива

С 2008 года JUFENG перешла от производства с содержанием свинца к экологически безопасным бессвинцовым вариантам. Компания активно внедряет методы переработки ресурсов для сокращения выбросов углекислого газа. Благодаря ответственному подходу к экологии, JUFENG обрабатывает оловянный шлак с целью уменьшения негативного воздействия на окружающую среду.

Проблемы износа в промышленности

Износ деталей машин, инструментов и оборудования является серьезной проблемой, наносящей значительный экономический ущерб предприятиям. Различные механизмы износа, такие как эрозионный износ, адгезионный износ, абразивный износ, поверхностная усталость и коррозия, играют ключевую роль в процессе изнашивания деталей и инструментов.

Существующие проблемы износа в промышленности чаще всего связаны с истиранием и адгезией, что требует внимания и разработки специализированных методов борьбы с износом.

Наплавка в промышленности: методы и материалы

Многие ответственные компоненты машин и производственных линий, используемых в различных отраслях промышленности, подвергаются сильному износу в процессе эксплуатации.

Применение наплавки

Горнодобывающая промышленность

• Молоты и валки дробилок
• Кожухи конусных дробилок
• Щеки щековых дробилок

Металлургия

• Валки непрерывного литья заготовок
• Столовые валки

Цементная промышленность

• Валки для измельчения клинкера
• Вытяжные вентиляторы

Строительство и земляные работы

• Бульдозерные отвалы
• Лопасти асфальтосмесителей
• Грейдерные рыхлители

Сельское хозяйство

• Ведущие колеса тракторов
• Катки тракторные
• Орудия для обработки почвы

Инструменты

• Ножницы
• Режущие инструменты
• Штампы для штамповки и ковки

Железнодорожная промышленность

• Рельсы
• Крестовины
• Колеса

Процесс наплавки

Наплавка – это процесс нанесения подходящего слоя материала на основной металл или подложку для улучшения характеристик поверхности или получения нужного размера. Твердая наплавка – нанесение износостойких слоев для уменьшения износа и повышения сопротивления металла истиранию, ударам, эрозии или кавитации.

Выбор материалов для наплавки

Успех процесса наплавки зависит от выбора подходящих расходных материалов с точки зрения химического состава, микроструктуры, износостойкости. Необходимо учитывать типы износа и условия эксплуатации деталей, а также основной металл, его химический состав и толщину.

Заключение

Определение правильных расходных материалов, процесса сварки и сварочного аппарата, учитывая условия эксплуатации и требования, является важным шагом для успешной наплавки деталей в промышленности.

Основная цель Magmaweld в ассортименте продукции для наплавки

Основная цель Magmaweld в ассортименте продукции для наплавки – продление срока службы деталей, подверженных износу во всех отраслях обрабатывающей промышленности. Для достижения этой цели в процессе разработки продукта эффективно используются методы Voice-of-Customer и Gemba для понимания ожиданий клиентов и механизмов износа деталей.

Сочетая ноу-хау Magmaweld и многолетний опыт с ожиданиями клиентов, определяются химический анализ продукта, металлургическая структура, твердость и износостойкость. Благодаря успешным расходным материалам для наплавки в ассортименте продукции заводы дольше используют детали машин, инструменты и оборудование, сокращаются простои и экономятся деньги.

Magmaweld предлагает высокопроизводительные расходные материалы

Magmaweld предлагает высокопроизводительные расходные материалы для ремонта, технического обслуживания и наплавки, сварочные аппараты, сварочные вспомогательные материалы и средства безопасности для всех отраслей промышленности, чтобы успешно и безопасно выполнять работы по наплавке.

Сопутствующие товары

Линия продуктов LPKF полностью охватывает каждый этап процесса создания прототипа, от структурирования до сборки SMD. Все методы разработаны для простоты использования, так что даже неопытные пользователи могут быстро производить высококачественные прототипы.

Преимущества собственного быстрого прототипирования печатной платы

к созданию топологии

Сопряжённые системы — быстрые результаты

На оборудовании LPKF изготовление прототипа – от подготовки данных до сборки – занимает всего один день. Системы LPKF могут производить многослойные до восьми слоев в дополнение к одно- и двухсторонним платам. Они легко справляются с производством радиочастотных(СВЧ) и микроволновых плат.

Все системы LPKF идеально скоординированы для обеспечения максимально быстрого производственного процесса: сразу после импорта данных начнется обработка материала плоттером LPKF ProtoMat или ProtoLaser. На структурированной печатной плате может быть выполнена металлизация сквозных отверстий, покрытие защитой и установка компонентов. Процессы нанесения припоя и трафаретной печати дополняют линию продуктов LPKF.

Линии полного цикла для быстрого прототипирования

LPKF ProtoMat S серия

Механическая обработка ПП

Плоттеры для печатных плат LPKF создают токопроводящие дорожки и площадки путем фрезерования изолирующих дорожек. Изоляционные дорожки разделяют электропроводящие медные поверхности, образуя сеть проводников. Далее плоттер сверлит необходимые отверстия.

LPKF ProtoMat S серии

Серия S поставляется в зависимости от конкретной модели с автоматической заменой инструмента, техническим зрением и вакуумным столом. Все подготовлено для автоматической работы.

LPKF ProtoLaser H4

Лазерное структурирование

Лазерное структурирование реализует проводящие структуры быстрее и точнее, чем механические методы. Создаёт точную геометрию на различных подложках, таких как FR4, с медным покрытием, алюминированная ПЭТ-пленка, керамика, Duorid или PTFE.

ProtoLaser H4 – это высокоточная обработка поверхности лазером в настольном формате с возможностью механического сверления и обрезки – идеальное оборудование для современного прототипирования печатных плат.

LPKF ProtoLaser S4/U4

LPKF ProtoLaser S4

Специалист по обработке ламинированных материалов создает проводники и сверлит отверстия за считанные минуты. Сложные приложения, требующие точной геометрии, реализуются с помощью оптимизированного лазерного источника.

LPKF ProtoLaser U4

Благодаря внедрению УФ-лазера ProtoLaser становится еще более гибким и способным обрабатывать такие материалы как керамический материал, LTCC и прозрачные проводящие оксиды (TCO). Многофункциональный и быстрый – универсальный инструмент для лаборатории электроники.

Одно-, двух- и многослойные платы.

Фрезерование и гравировка пластика и алюминия (2.5 D).

Гибкие и твердо-гибкие платы.

Лазерное структурирование керамики и PTFE.

Металлизация переходных отверстий

Сквозное покрытие является основным требованием двухсторонних или многослойных плат. Во время этого процесса слои печатной платы соединяются металлизированными отверстиями.

LPKF ProConduct

LPKF ProConduct металлизация сквозных переходных отверстий двухсторонних и многослойных печатных плат токопроводящей пастой. Метод прост в использовании и не требует химических ванн. Нехимическое металлизация сквозных переходных отверстий требует значительно меньшего времени, чем гальваника. Может использоваться для СВЧ- приложений или керамических подложек.

LPKF Contac S4

LPKF Contac S4 – это компактная настольная система для однородного гальванического покрытия печатных плат. Химический метод является автономным и практически не требует технического обслуживания, что позволяет эксплуатировать системы без специальных знаний. Реверсивное импульсное покрытие обеспечивает надежное гальваническое покрытие для отверстий малых диаметров.

Финишное покрытие

Маски LPKF ProMask предотвращают короткие замыкания во время пайки и защищают печатную плату от внешних воздействий. Маркировка ProLegend отмечает расположение компонентов на платах и добавляет любые маркеры и знаки на плату.

LPKF ProMask и LPKF ProLegend

LPKF ProMask быстро и легко наносит паяльные маски на печатные платы. Защитные маски обеспечивают безопасную пайку SMD или обычных компонентов. LPKF ProLegend работает аналогичным образом, используя простой метод печати знаков. Методы ProMask и ProLegend основаны на ручном принципе нанесения краски и процессе экспонирования, что делает их экономически эффективными решениями. Для утилизации компонентов нет экологических ограничений.

Прессование слоёв

Многослойные ПП состоят из нескольких уложенных в пакет плат с четырьмя или более схемными слоями. Многослойный пресс LPKF спрессовывает отдельные слои в многослойную плату.

LPKF MultiPress S4

LPKF MultiPress S4 – это настольная система для спекания многослойных материалов. Короткое время цикла, надежность производства и простота использования делают его идеальным инструментом для производства прототипов многослойных плат и небольших партий. Система прессует до восьми слоев жестких, жестко-гибких или гибких материалов для печатных плат. Специальные технологические профили позволяют прессовать СВЧ материалы.

Установка компонентов начинается с точного нанесения паяльной пасты на паяльные площадки. После размещения компонентов паяльная паста запекается печью для оплавления. Системы LPKF делают весь процесс сборки простым и надежным.

LPKF ProtoPrint S4

LPKF ProtoPrint S4 и ProtoPrint S RP — это ручные SMD-принтеры с тонким шагом для точного нанесения паяльной пасты на печатные платы. Рабочий стол системы обеспечивает высокую точность позиционирования, допускающую малое расстояние между площадками, простоту эксплуатации и возможность использования трафаретов из полиимида. Обе системы совместимы с большинством трафаретных рамок. LPKF ProtoPrint S RP может также непосредственно натягивать полиимидные трафареты формата A4.

LPKF ProtoPlace S4

LPKF ProtoPlace S4 – полуавтоматическая система Pick & Place для профессиональной сборки SMD прототипов печатных плат и небольших партий. Точная регулировка с помощью микрометрических винтов и дополнительной системы камер позволяет устанавливать многовыводные компоненты. LPKF ProtoPlace S устанавливает компоненты с помощью пневматики, что обеспечивает высокую точность размещения.

LPKF ProtoFlow S4

Печь для оплавления припоя можно использовать для пайки SMD со свинцовым припоем и бессвинцовым припоем, совместимым с RoHS. Кроме того, система запекает проводящую пасту LPKF ProConduct. Многочисленные предварительно заложенные профили процесса с предварительно заданными и настраиваемыми температурными фазами обеспечивают надежные результаты. LPKF ProtoFlow S4 позволяет использовать азотную среду во время процесса пайки, уменьшая окисление.

Раздвигая границы возможного

Чтобы удовлетворить требования будущего в области создания микроструктур, все большее число исследователей и инженеров выбирают LPKF ProtoLaser U. Эта система была разработана специально для использования в электронных лабораториях. Ультрафиолетовый лазер с длиной волны 355 нм позволяет обработать нестандартные комбинации материалов.

Новый LPKF ProtoLaser U4 решает задачи с микроструктурами с еще большей детализацией и точностью, особенно в области низких энергий для особо чувствительных и тонких материалов. Требуемые работы могут быть эффективно выполнены благодаря новому модулю отслеживания процесса, высокому уровню стабилизации мощности луча, в том числе и на малых энергиях и системе технического зрения.

Структурирование, сверление и резка керамических материалов.

Открытие паяльных площадок в масках. Создание слепых отверстий.

Резка и сверление гибких и твердо-гибких плат

Прямое экспонирование фоторезиста.

Структурирование, сверление и резка незапечённой керамики (LTCC).

Плавы на основе меди

Медь (Cu) – металл красновато-розового цвета, мягкий и пластичный, обладает высокими показателями тепло- и электропроводности. Плотность 8,96 г/см3; температура плавления 1083ºC; твердость по Бринеллю НВ 350 МПа. Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке и не имеет полиморфных превращений.

На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь окисляется, покрываясь пленкой патины зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)2CO3, и которая предохраняет ее от дальнейшего разрушения.

Медь хорошо деформируется и сваривается точечной и роликовой сваркой. Наиболее надежный способ соединения медных изделий — пайка припоями. Хорошо полируется. Из-за своей мягкости плохо обрабатывается режущим инструментом. Имеет плохие литейные свойства.

В мировой практике 80% меди извлекают из концентратов пирометаллурическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. Вреднейшими примесями меди являются висмут и свинец.

Из-за низких значений предела текучести и высокой стоимости чистая медь как конструкционный материал не применяется. Около половины производимой меди используется в электротехнике и радиотехнике, а вторая половина — служит основой медных сплавов (латуней, бронз, медно-никелевых сплавов).

Латунями называются сплавы меди с цинком. Плотность латуней 8,20-8,60 г/см3.

В сухом помещении латунь долго сохраняет цвет и блеск. На открытом воздухе латуни неустойчивы, быстро теряют блеск и темнеют.

На рис.9.1 а, б приведен участок диаграммы сплавов системы Cu-Zn и механические свойства латуней в зависимости от содержания цинка. Из диаграммы видно, что Zn растворяется в меди до 39%, образуя α- твердый раствор. Сплавы, содержащие свыше 39% Zn в структуре, кроме α-фазы содержат избыточную β’-фазу, которая представляет собой соединение особого типа CuZn. Сплавы, содержащие от 39 до 46% Zn, — двухфазные. Избыточная β’- фаза является твердой и хрупкой составляющей. Ввиду этого практическое использование находят латуни, содержащие не более 43% Zn. Структура однофазной α -латуни и двухфазной (α+ β )-латуни показана на рис.9.2.

Рис.9.1. Диаграмма состояния Cu — Zn (а) и зависимость механических свойств латуней от содержания цинка (б)

Рис. 9.2. Микроструктура латуни: а – α-латунь; б – α+β латунь. х200

По составу латуни делят на простые и специальные. Простые (α-латуни) представляют собой двойные сплавы меди с цинком. В марках этих латуней Л62, Л68, Л80, Л90 цифры показывают содержание меди. Цинк дешевле меди. Чем больше цинка в латуни, тем ниже ее стоимость.

Специальные латуни легируют дополнительно алюминием, железом, никелем или марганцем для увеличения прочности. Если предел прочности при растяжении простой латуни марки Л60 (60% меди и 40% цинка) в кованом состоянии 350-400 МПа, то у специальных латуней предел прочности может достигать 800 МПа, т.е. вдвое выше предела прочности низкоуглеродистой стали.

По назначению латуни делят на литейные и деформируемые. Ввиду узкого интервала температур кристаллизации литейные латуни не склонны к ликвации. При кристаллизации имеют значительную сосредоточенную усадку. Поэтому латунные отливки могут быть получены с высокой плотностью. Литейные латуни отливают в землю, в кокиль, под давлением, они идут на изготовление арматуры и деталей для судостроения, гаек нажимных винтов для сложных условий работы, втулок, вкладышей и подшипников.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, ЛЦ40Мц3А содержит 40% Zn, 3% Mn, 1% Al. Структура однофазной литой латуни показана на рис.9.3.

Рис. 9.3 . Структура литой однофазной латуни. х200

Холодным деформированием из однофазных α-латуней изготовляют ленты, проволоку, гильзы патронов, трубки теплообменников. Из двухфазных ()-латуней изготовляют листы, прутки и другие заготовки деформированием при температуре выше 500С. Обрабатываемость резанием латуней улучшается присадкой в состав латуни небольшого количества свинца, например, латунь марки ЛС59-1 называют автоматной латунью. Латуни, легированные оловом (ЛО70-1, ЛО62-1) , обладают высокими коррозионными свойствами и называются морскими латунями.

Детали, изготовленные из латуней деформированием, при содержании более 20% Zn подвержены “сезонному” растрескиванию во влажном воздухе при наличии в атмосфере следов аммиака. Саморастрескивание происходит из-за предпочтительной коррозии латуней по границам зерен в зоне неравномерного распределения примесей. Для предотвращения растрескивания детали отжигают при температуре ниже температуры рекристаллизации (175 — 300С).

Двойные деформируемые латуни маркируют буквой Л (латунь), за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах; например, в сплаве Л62 имеется 62% Сu и 38% Zn. В марках легированных латуней кроме цифры, показывающей содержание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Для их обозначения ставятся буквы, являющиеся начальной буквой названия элементов (О — олово, С — свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Ц – цинк, Мц – марганец, К — кремний). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего количество меди в латуни; например сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Cu, 1% Al, 1% Fe, 38% Zn.

К бронзам относят сплавы меди с любым элементом, кроме цинка. Диаграмма состояния системы Сu – Sn (рис. 9.4 а) характеризуется сравнительно большим интервалом между линиями ликвидуса и солидуса. Поэтому особенностью двухкомпонентных оловянных бронз являются их повышенная склонность к ликвации, вызванная медленно проходящим процессом диффузии, низкая жидкотекучесть и рассеянная пористость.

Рис. 9.4. Диаграмма состояния системы Cu-Sn (а) и зависимость механических свойств оловянной бронзы от содержания олова (б)

В соответствии с диаграммой состояния предельная растворимость олова в меди составляет 15,8%, однако в обычных условиях охлаждения в связи с низкой скоростью диффузии олова уже при его содержании 5-6% в структуре появляется ()-эвтектоид, в котором -фаза представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Cu31Sn8. С появлением -фазы снижаются пластичность и вязкость сплавов (рис. 9.4б). Бронзы с содержанием олова более 12% из-за повышенной хрупкости как конструкционный материал практически не применяются.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. На рис.9.5 приведена микроструктура оловянной бронзы в литом состоянии (а) и после деформации и отжига (б). В литом состоянии (рис.9.5, а) она состоит из твердого раствора -фазы (темный) и эвтектоида () (светлый), который, располагаясь по границам зерен, резко снижает пластичность и вязкость. После деформации и отжига (рис.9.5, б) -фаза располагается в виде игл непосредственно в -твердом растворе.

Рис.9.5. Микроструктура оловянной бронзы (х200): а – после литья; б – после деформации и отжига

Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Например, БрОЦС4-4-2,5 содержит 4% Sn, 4% Zn, 2.5% Pb. В деформируемых бронзах не указывается содержание меди, ее концентрация определяется по разности. Например, БрОФ6,5-0,15 – бронза: 6,5% Sn, 0,15% P, остальное – медь.

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится после буквы, обозначающей его название. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb. Содержание меди в литейных бронзах определяется по разности от 100%. Например, Бр05Ц5С5 – литейная бронза, содержащая 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb, остальное – медь.

Двойные оловянные бронзы дороги и имеют пониженные литейные свойства. Их обычно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором.

Деформируемые оловянные бронзы содержат 3-7 % олова, и после отжига имеют структуру однородного твердого раствора. Благодаря хорошей пластичности они легко подвергаются обработке давлением и поставляются в виде прутков, труб и лент. Этот вид бронз используется также для изготовления различных деталей с высокими упругими свойствами. Их прочность σв = 320-350 МПа при относительном удлинении δ = 30-50%.

При концентрации олова 9-11% в структуре увеличивается количество хрупкой составляющей – эвтектоида, , что исключает возможность пластической деформации. Такие бронзы применяются только в литом состоянии. Литые оловянные бронзы имеют предел прочности σв = 170-200 МПа при относительном удлинении δ = 5-10%.

Литые оловянные бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1 %) и хорошую жидкотекучесть. Введение в оловянную бронзу цинка и свинца приводит к увеличению количества эвтектоида. Эти элементы новых фаз не образуют, так как находятся в твердом растворе. Из бронзы изготовляют сложные отливки, в частности художественное литье. Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Среди литейных оловянных бронз следует выделить колокольную бронзу. Наилучшим колокольным сплавом является двухкомпонентная бронза, содержащая 20-22% олова и не более 1-2% примесей. Звучание колокольной бронзы определяется содержанием интерметаллидной фазы Cu31Sn8. Чем выше ее доля в сплаве, тем чище, звонче, мелодичнее звук. Однако эта фаза обладает исключительной хрупкостью. При 32%-ном содержании олова колокол не выдержал бы и одного удара. Сплав с 22%-ным содержанием олова находится на границе области допустимой хрупкости.

На звучании колокола плохо сказываются примеси, которые резко снижают акустические характеристики бронзы. Содержание примесей не должно превышать 2%, а в особо ответственных случаях – 1%. Примеси алюминия, висмута, мышьяка дают себя знать, даже если их содержание исчисляется в сотых долях процента.

Наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, а мягкие частицы облегчают «приработку» и образуют на поверхности мельчайшие каналы, по которым может циркулировать смазка. Поэтому бронзы, содержащие 9-10 % олова, являются одним из лучших антифрикционных материалов и применяются для изготовления подшипников скольжения. Для улучшения антифрикционных свойств в состав бронз вводят свинец.

Из безоловянных бронз наибольшее применение нашли алюминиевые, кремниевые, свинцовые и берилливые бронзы

Алюминиевые бронзы, как и оловянистые, бывают однофазные и двухфазные. Из диаграммы состояния системы Cu-Al (рис.9.6) следует, что медь образует с алюминием широкую область -твердых растворов замещения с кристаллической решеткой ГЦК, а также фазу на базе электронного соединения Cu3Al. фаза претерпевает эвтектоидное превращение при 565С по реакции . Предельная растворимость алюминия в меди составляет 9,8% .

Рис. 9.6. Диаграмма равновесных состояний системы сплавов Cu-Al

Сплавы, содержащие до 9,8 % Al, однофазные и состоят только из -твердого раствора алюминия в меди. Увеличение содержания алюминия более 9,8 % приводит к появлению в структуре эвтектоида (рис. 9.7), обеспечивающего высокие антифрикционные свойства алюминиевых бронз, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения. Практическое применение имеют бронзы, содержащие до 11 % алюминия. С целью улучшения механических свойств в алюминиевые бронзы вводят Fe, Mn и Ni.

Рис. 9.7. Структура литой алюминиевой бронзы с содержанием 10% алюминия (х200)

Однофазные алюминиевые бронзы характеризуются высокой пластичностью, их используют для глубокой штамповки.

Двухфазные бронзы подвергают горячей обработке давлением или используют в виде фасонного литья.

Согласно диаграмме состояния, алюминиевые бронзы могут подвергаться термической обработке – улучшению. При нагреве до температуры около 900С они приобретают однофазное строение -твердого раствора, который в результате закалки переходит в игольчатую структуру, подобную мартенситной. Отпуск позволяет в широких пределах менять свойства алюминиевых бронз.

Дополнительное легирование алюминиевых бронз железом (до 5,5%), марганцем (до 2%) и никелем (до 5,5 %) повышает их механические свойства; введение никеля, кроме того, увеличивает жаропрочность и сопротивление коррозии.

По коррозионной стойкости в морской воде и тропической атмосфере алюминиевые бронзы превосходят оловянные бронзы и латуни и конкурируют в этом отношении с хромоникелевыми аустенитными сталями. В судостроении алюминиевые бронзы используются для изготовления деталей, работающих в морской воде (например, для гребных винтов — БРАЖН9-4-7 и др).

Кремнистые бронзы обычно содержат до 3% Si, часто их дополнительно легируют никелем или марганцем. Растворимость кремния в меди при 842 С составляет 5,3 %. С понижением температуры растворимость кремния уменьшается. На уменьшение растворимости существенно влияет добавка марганца. Сравнительно небольшой интервал кристаллизации обеспечивает кремнистым бронзам хорошие литейные свойства. Их обычно используют в качестве заменителя оловянных бронз, например, бронза БрКЦ4-4 может заменять БрОЦС5-5-5. Уступая оловянной бронзе по величине усадки, она имеет более высокие механические свойства, плотность отливок и коррозионную стойкость.

Бронза БрКМц3-1 хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо сваривается, обладает высокими литейными свойствами; в некоторых случаях может заменять дорогую бериллиевую бронзу.

Свинцовая бронза. Свинец практически не растворим в меди. После затвердевания сплав состоит из кристаллов меди, перемежающихся включениями свинца. Благодаря такой структуре бронза БрС30 имеет высокие антифрикционные свойства, что позволяет ее использовать взамен оловянных бронз для подшипников скольжения. Высокая теплопроводность бронзы БрС30 позволяет эффективно отводить тепло из зоны трения. Свинцовая бронза имеет невысокие механические свойства ( а  %). Для повышения надежности вкладышей подшипников тонкий слой бронзы наплавляют на основу из стальной ленты. Дополнительное повышение механических и антифрикционных свойств достигается легированием свинцовой бронзы небольшими добавками никеля и олова.

Широкое применение получили сплавы меди с 2-5% Be, так называемые бериллиевые бронзы. Наиболее применяема бронза БрБ2 с 2% Ве. Из диаграммы состояния (рис. 9.8) видно, что этот сплав дисперсионно твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением.

Рис.9.8. Диаграмма состояния системы Cu – Be

Закалка с 800С фиксирует пересыщенный -твердый раствор, из которого при старении (300-350С) выделяются дисперсные частицы CuBe (рис. 9.9).После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: в = 500 МПа, =30%, после старения: в = 1200 МПа, =4%.

Рис.9.9. Электронно-микроскопическое изображение бериллиевой бронзы после старения (регулярное расположение выделений). х 50 000

Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пластинчатых пружин. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии. Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, на газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

Антифрикционные сплавы применяют для их изготовления подшипников скольжения. Подшипники скольжения применяют в виде вкладышей. Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, — низкие значения коэффициента трения со стальной поверхностью вала и высокая износостойкость подшипников. Для их удовлетворения необходимо, чтобы поверхности вала и вкладыша были разделены пленкой смазки. Высокие антифрикционные свойства обеспечиваются гетерогенной структурой сплава, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц.

Для повышения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления.

Антифрикционные материалы должны иметь высокую теплопроводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхностей. Для подшипников скольжения используют чугунные вкладыши, бронзовые вкладыши и баббиты.

Чугунные вкладыши для подшипников являются наиболее дешевым антифрикционным материалом. Для этой цели используют высококачественные чугуны, имеющие перлитную основу и повышенное количество графита. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, тем самым дополнительно снижая коэффициент трения. Присутствие феррита в структуре недопустимо, так как при этом увеличивается износ подшипников. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях из-за сравнительно высокого коэффициента трения пары сталь — чугун (по сравнению с парами бронза — сталь или баббит — сталь).

Бронзовые вкладыши применяют для подшипников более ответственного назначения, используемых в быстроходных двигателях, при высоких удельных давлениях и значительных динамических нагрузках.

Для изготовления бронзовых вкладышей применяют оловянные и свинцовые бронзы, например марок БрОС8-12 (8 % Sn, 12 % РЬ), БрОС5-25 (5 % 8п, 25 % РЪ), БрСЗО (30 % РЪ). В оловянных бронзах твердый раствор применяется в качестве мягкой основы (на шлифе он имеет вид темных овальных дендритов), а (а+β)-эвтектоид (светлые участки) — твердых включений.

В чисто свинцовой бронзе БрСЗО (70 % Си, 30 % РЬ) получают мягкую медную основу с еще более мягкими включениями свин¬ца, так как свинец совершенно не растворим в меди. Такие антифрикционные сплавы характеризуются высокими значениями предела выносливости, пластичности и теплопроводности.

Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравнительно невысокая механическая прочность. Поэтому их иногда наплавляют на стальную ленту. Наплавку производят в защитной атмосфере. Специальные подшипниковые сплавы — баббиты имеют минимальный коэффициент трения со сталью, хорошо прирабатываются к валу и легко удерживают смазку: благодаря вязкой основе они легко поглощают посторонние твердые частицы, не образуя задиров вала.

Обычно применяют баббиты на оловянной, либо на свинцовой основе. Наилучшими антифрикционными и механическими свойствами обладают оловянные баббиты.

Оловянные баббиты сравнительно дороги, поэтому для более легких условий работы применяют более дешевые баббиты, у которых значительная часть олова заменена свинцом. Например, баббит Б16 имеет меньшую пластичность и как более хрупкий материал не может использоваться для высоконагруженных машин.

На рис.9.10, а приведена микроструктура баббита Б83. В мягкой основе α-твердого раствора Sb и Сu в олове темно-серого цвета распределены более твердые светлые крупные квадратные кристаллы β-фазы SnSb и дисперсные включения соединения Сu3Sn, которые способствуют равномерному распределению тяжелых включений SnSb.

Антифрикционные и механические свойства баббитов можно повысить за счет введения добавок никеля, кадмия и мышьяка и мышьяка.

Для подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта (коленчатых валов, дизельных двигателей) широко применяют кальциевые баббиты типа БК. Сплав БКА на основе свинца содержит 0,95-1,15 % Са, 0,7-0,9 % Na. Мягкой составляющей такого баббита является темный α-твердый раствор Са и Na в свинце, а твердой – светлые включения кристаллов РЬ3Са (рис. 9.10, б).

Рис..9.10 Микроструктура баббитов Б83 (а); БКА (б)

Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баббит — сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочный стальной, чугунный или бронзовый корпус.