Бронза на складе «М-Комплект»
(044)490-04-88 (044)490-04-89


Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением

Химический состав

пруток БрОЦС555

Оловянные бронзы определяются как медные сплавы с оловом и меднооловянные сплавы с добавками фосфора, цинка, свинца, никеля. ГОСТ 5017-74 регламентирует девять марок деформируемых оловянных бронз, которые содержат 2—8 % олова и добавки фосфора, цинка и свинца. В США используют большее количество марок деформируемых оловянных бронз. От сплавов ГОСТ 5017-74 они отличаются большим диапазоном по содержанию олова в 1—10 % и имеется четыре марки оловянно-никелевых бронз (С72500, С72650, С72700, С72900) с высоким содержанием никеля.

Основные легирующие элементы ГОСТ 5017‑74
Марка Химический состав, %
Компоненты
По ГОСТ По СТ СЭВ 376‑76 Олово Фосфор Цинк Никель Свинец Медь
БрОФ8,0‑0,3 7,5‑8,5 0,26‑0,35 0,10‑0,20 Ост.
БрОФ7‑ 0,2 CuSn 8 7,0‑8,0 0,10‑0,25 Ост.
БрОФ6,5‑0,4 6,0‑7,0 0,26‑0,40 Ост.
БрОФ6,5‑0,15 CuSn 6 6,0‑7,0 0,40‑0,25 0,10‑0,20 Ост.
БрОФ4‑0,25 CnSn 4 3,5‑4,0 0,20‑ 0,30 Ост.
БрОФ2‑0,25 CuSn 2 3,0‑5,0 0,02‑0,3 Ост.
БрОЦ4‑3 CuSn 4Zn 3 3,5‑4,0 2,7‑3,3 Ост.
БрОЦС4‑4‑2,5 CuSn 4Zn 4Pb 3 3,0‑5,0 3,0‑5,0 1,5‑3,5 Ост.
БрОЦС4‑4‑4 CuSn 4Zn 4Pb 4 3,0‑5,0 3,0‑5,0 3,5‑4,5 Ост.

Примесные элементы и примерное назначение по ГОСТ 5017-74
Марки Химический состав, % Примерное назначение
По ГОСТ По СТ СЭВ 376‑76 Примеси, не более
Fe Pb Sb Bi Al Si P Zn Всего
БрОФ8,0‑0,3 - 0,02 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002 - 0,03 0,1
Проволока применяемая в целлюлозно-бумажной промышленности для изготовления сеток
БрОФ7‑ 0,2 CuSn 8 0,02 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002   -   0,1
Прутки, применяемые в различных отраслях промышленности
БрОФ6,5‑0,4 - 0,02 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002 - 0,03 0,1
Проволока, применяемая в целлюлозно-бумажной промышленности для изготовления сеток, а также для пружин, деталей, лент и полос, применяемых в машиностроении
БрОФ6,5‑0,15 CuSn 6 0,05 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002 - - 0,1
Ленты, полосы, прутки, применяемые в машиностроении, подшипниковые детали трубозаготовки для изготовления биметаллических сталебронозовых втулок
БрОФ4‑0,25 CnSn 4 0,02 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002 - - 0,1
Трубки, применяемые в аппаратостроении и для контрольно-измерительных приборов
БрОФ2‑0,25 CuSn 2 0,05 0,03 - - - - - 0,03 0,3
Винты, ленты для гибких шлангом, токопроводящие детали, присадочный материал для сварки
БрОЦ4‑3 CuSn4Zn3 0,05 0,02 0,002 0,002 0,002 0,002 0,03 - 0,2
Ленты, полосы, прутки, применяемые в электротехнике, машиностроении, проволока для пружин и аппаратуры химической промышленности
БрОЦС4‑4‑2,5 CuSn4Zn4Pb3 0,05 - 0,002 0,002 0,002 - 0,03 - 0,2
Ленты полосы, применяемые для прокладок во втулках и подшипниках
БрОЦС4‑4‑4 CuSn4Zn4Pb4 0,05 - 0,002 0,002 0,002 - 0,03 - 0,2
Ленты и полосы для прокладок во втулках и подшипниках
Химический состав (в %, остальное Сu) оловянных бронз по ASTM США
Марка Основные компоненты Примеси, не более Полуфабрикаты и области применения
Sn Р Zn РЬ Ni
С50500 1,0–1,7 0,03–0,35 <0,3 <0,05 - 0,10 Fe Листы, ленты
С51000 4,2–5,8 0,03–0,35 <0,3 <0,05 <0,3 0,05 Fe; 0,002 Sb; 0,002 Bi; 0,002 Si; 0,002 Al; Σ 0,1 Прутки, стержни, профили, листы и полосы
С51100 3,5–4,9 0,03–0.35 <0,02 0,02 Fe; 0,002 Sb; 0,002 Bi; 0,002 Si; 0,002 Al; Σ 0,1 Прутки, стержни, профили, плиты, листы и полосы
С52400 9,0–11,0 0,03–0,35 <0,20 <0,05 0,10 Fe Прутки, полосы
С52100 7,0–9,0 0,03–0,35 <0,20 <0,05 0,10 Fe Прутки, стержни, профили, листы и полосы для пружин
С53200 4Д..5.5 0,01–0,35 <0,20 2,5–4,0 0,10 Fe Прутки, стержни, профили, плиты, листы и полосы
С54400 3.5–4,5 0,01–0,50 1,5–4,5 3,4–4,5 0,10 Fe
С72500 1,8–2,8 <0,5 <0,05 8,5– 10,5 0,6 Fe; 0,2 Mn Пластины, листы, полосы, прутки
С72650 4,5–5,5 <0,2 < 0,01 7,0–8,0 0,50 Fe; 0,10 Mn Ленты
С72700 5,5–6,5 <0,5 <0,02 8,5–9,5 0,50 Fe, 0,30 Mn; 0,10 Nb; 0,15 Mg
С72900 7,5–8,5 <0,02 14,5–15,5 0,50 Fe; 0,30 Mn; 0,10 Nb;0,15 Mg

Фазовый состав

диаграмма Cu-Sn

Фазовый состав и структура оловянных бронз представлены диаграммой состояния Cu-Sn , а также трехкомпонентными диаграммами состояния Cu-Sn-P, Cu-Sn-Zn и Cu-Sn-Ni. Медь составляет основу α-твердого раствора с широкой областью гомогенности. Растворимость олова в меди существенно изменяется с понижением температуры и имеет ретроградный характер: при температуре перитектического равновесия 799°С она составляет 13,5 % и с понижением температуры несколько увеличивается до максимума в 15,8 % при температуре 586°С эвтектоидного распада β-фазы. При понижении температуры, начиная с 528°С она резко понижается и при 200°С составляет около 1,3 %.

В равновесии с α-твердым раствором в зависимости от температуры находятся промежуточные фазы β, γ, δ и ε. Это электронные соединения с различной электронной концентрацией: для фазы β(Cu5Sn) она составляет 3/2, для фаз γ, δ - 21/13 и для фазы ε — 7/4. Фазы β и γ являются высокотемпературными. При охлаждении β-фаза и γ-фаза претерпевают эвтектоидный распад:

β → α + γ при температуре 586°С
γ →  α + δ при температуре 520°С.

Характерная черта системы медь-олово состоит в очень высокой скорости эвтектоидного распад высокотемпературных β- и γ-фаз и обычно не фиксируется в структуре сплавов при нормальной температуре.

Эвтектоидное превращение δ →  α + ε при 350°С протекает очень медленно и фаза δ (Си31Sn8) остается в структуре сплавов до нормальной температуры даже при медленном охлаждении. ε-фазу не удается зафиксировать при 20°С в деформированных на 70ᾰ80% образцах сплавов, содержащих до 20%Sn, после длительного отжига при температуре 350°С. Таким образомо, оловянные бронзы в литом состоянии состоят из α- и δ-фаз: в сплавах с низкой концентрацией олова (БрОФ2-0,25, БрОФ4-0,25 и БрОЦ4-3), после деформации и отжига структура состоит из однородных кристаллов α-твердого раствора, а в сплавах с повышенным содержанием олова (БрОФ8-0,3) структура состоит из кристаллов α-твердого раствора с включением эвтектоида (α + δ).

Высокотемпературная фаза β пластична, поэтому при определенных условиях сплавы, содержащие до 20 % олова, поддаются горячей прокатке, в то время как при пластической деформации в холодном состоянии бронзы с очень высоким содержанием олова ( 15—20%) весьма хрупки. Главная причина повы шенной хрупкости этих сплавов — наличие в структуре большого количества эвтектоида (α + δ).

Физические свойства оловянных деформируемых бронз
Марка Плотность,
г/см3
Температура начала  плавления, °C ρ, (Ом·мм2)/м Теплопро-
водность, кал/(см·с·°С)
Коэффициент линейного расширения α·10–6, 1/°С
Примечание. В числителе данные для мягкого (отожженного), в знаменателе – для твердого cocтояния.
БрОФ8–0,3 8,6 88 0,175 0,098 17,0
БрОФ7–0,2 8,6 900 0,17 0,1 17,0
БрОФ6,5–0,4 8,7 995 0,16 0,17 17,1
БрОФ4,5–0,15 БрОФ4–0,25 8,8
8,9
1060 0,09 0,2 17,6
БрОЦ4–3 8,8 1045 0,09 0,2 18,0
БрОЦС4–4–2,5 8,9 1018 0,09 0,2 18,2
БрОЦС4–4–4 9,1 1015 0,09 18,1
Влияние олова на механические свойства бронз

Механические свойства

Двойные оловянные бронзы показывают высокие механические свойства. Увеличением содержания олова повышает прочность и твердость оловянных бронз, а понижается пластичность и ударная вязкость. Максимальные значения временного сопротивления разрыву достигаются при 10—12% олова, а значения твердости и предела текучести продолжают увеличиваться и при большем содержании олова. Снижение значения относительного удлинения и ударной вязкости делает бронзы с высоким содержанием олова хрупким и непригодным материалом для обработки давлением. Поэтому для обработки давлением применяют оловянные бронзы с содержанием до 8—10%. Для улучшения свойств в эти сплавы вводят добавки фосфора, цинка или свинца.

Наиболее существенным показателем деформируемых оловянных бронз является высокое сопротивление усталости в коррозионных средах, которое растет при увеличении содержания олова до 4 %, а далее увеличивается в меньшей степени. Деформируемые оловянные бронзы уступают по усталостным характеристикам только бериллиевой бронзе. Самые высокие упругие свойства имеют оловянные бронзы, дополнительно легированные фосфором.

Легирующие элементы и свойства промышленных марок многокомпонентных бронз

Деформируемые оловянные бронзы можно разделить на сплавы, легированные оловом и фосфором, и сплавы, не содержащие фосфора. В процессе плавки оловянные бронзы раскисляют фосфором, поэтому большинство двойных сплавов системы Cu-Sn содержит остаточное количество фосфора. Фосфор определяют легирующим элементом, если его содержание в оловянной бронзе превышает 0,1%. Растворимость фосфора в твердой меди составляет 1,7 % (по массе) при эвтектической температуре 714°С, а при температуре 300°С понижается до 0,6%. Фосфор при взаимодействии с медью образует твердое химическое соединение Cu 3Р (14 % Р), которое при температуре 714°С с α-твердым раствором на основе меди образует эвтектику по реакции L → α + Cu 3Р , содержащую 8,3% Р.

Легирование оловянных бронз фосфором

Легирование оловянных бронз фосфором преследует несколько целей. Фосфор раскисляет медь и уменьшает содержание водорода. В нераскисленных оловянных бронзах кислород может присутствовать в виде очень твердого и хрупкого соединения SnO2, который резко снижает технологические и эксплуатационные свойства оловянных бронз. Фосфор повышает прочностные свойства. В бронзах с небольшим количеством олова он повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых дисперсных частичек фосфида меди Cu3P. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность оловянных бронз, поэтому в деформируемых сплавах его содержание должно быть строго регламентировано.

диаграмма Cu-Sn-P

При выборе оптимального содержания фосфора в бронзах следует ориентироваться не на двойную систему Cu-P, а на трехкомпонентную диаграмму состояния системы Cu-Sn-P, так как олово существенно изменяет растворимость фосфора в медном твердом растворе. Диаграммы состояния системы Cu-Sn-P показывает, что олово уменьшает растворимость фосфора в меди: при 5% Sn в бронзах предельная растворимость фосфора в α-твердом растворе составляет приблизительно 0,8%, а при 10% олова она понижается до 0,4—0,5 %, в то время как в двойной системе Cu-P предельная растворимость фосфора в α-твердом растворе составляет 1,7 %. Поэтому в оловянных бронзах фосфидная фаза Cu3P появляется в структуре при значительно меньших концентрациях фосфора, чем в двойных сплавах системы Cu-P.

лента БрОФ

Оловянно-фосфористые бронзы БрОФ6,5-0,15, БрОФ6,5-0,4, БрОФ7-0,2 и БрОФ8-0,30 близки друг к другу по химическому составу и свойствам, а поэтому отнесены к одной группе сплавов. Эти бронзы отличаются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами. Бронза БрОФ6,5-0,15 обладает после деформации высокой прочностью и упругостью и применяется для изготовления пружинящих деталей приборов.

Бронза БРОФ6,5-0,4 применяется главным образом для изготовления сеток в целлюлозно-бумажной промышленности. По износостойкости для этих целей она является одним из лучших сплавов.

Бронза БрОФ7-0,2 имеет высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах. Она выпускается в виде прессованных прутков, так как повышенное содержание олова затрудняет обработку давлением. Износостойкость бронзы можно повысить холодной деформацией.

Бронза БрОФ8-0,3 содержит больше олова, чем бронза БрОФ7-0,2, и по совокупности прочностных свойств и износостойкости превосходит ее.

Олово снижает температуру плавления двойной эвтектики (α + Cu3P): если в двойной системе Cu-P она равна 714°С, то в сплавах с 5 и 10 % Sn она значительно ниже 700°С . Это существенно затрудняет горячую деформацию сплавов. Оловянные бронзы при содержании фосфора 0,5% и более легко разрушаются при горячем деформировании из-за расплавления фосфидной эвтектики (α + Cu3P), поэтому максимальное содержание фосфора в оловянных бронзах, обрабатываемых давлением, составляет 0,4 %. При таком содержании фосфора деформируемые оловянные бронзы обладают оптимальными механическими свойствами, имеют повышенные значения модуля нормальной упругости и предела упругости, а также высокий предел выносливости.

Легирование цинком

диаграмми Cu-Sn-Zn

Для повышения прочностных свойств оловянные бронзы, не содержащие фосфора, легируют цинком в больших количествах, но в пределах его растворимости в α-фазе. Легирование бронз цинком также целесообразно потому, что он дешевле не только олова, но и меди. Оловянно-цинковая бронза БрОЦ4-3 по структуре даже в литом состоянии представляет собой α-твердый раствор, что следует из анализа диаграммы состояния системы Cu-Sn-Zn.

В оловянные бронзы этой группы цинк часто вводят совместно со свинцом. Свинец практически нерастворим в оловянных бронзах в твердом состоянии. При затвердевании сплава он выделяется как самостоятельная фаза, располагаясь между ветвями дендритов в виде темных включений. Поэтому фазовый состав и структуру оловянно-цинково-свинцовых бронзБрОЦ4-4-2,5 и БрОЦС4-4-1 можно обосновать с помощью диаграммы состояния Cu-Sn-Zn без учета содержания свинца, который практически нерастворим в твердом растворе: структура этих бронз состоит из кристаллов α-твердого раствора и включений свинца. Свинец улучшает антифрикционные свойства и резко повышает обрабатываемость резанием оловянных бронз, однако механические свойства при этом понижаются.

бронза оцс555

Из сплавов этой группы наилучшую обрабатываемость давлением имеет бронза БрОЦ4-3. Она удовлетворительно обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Бронза БрОЦ4-3 отличается хорошими механическими и коррозионными свойствами, она применяется в электротехнической промышленности, машиностроении, приборостроении и точной механике для изготовления плоских и круглых пружин, арматуры и других деталей.

Бронзы БрОЦС4-4-2,5 и БрОЦС4-4-4, содержащие свинец, обрабатываются давлением только в холодном состоянии, поскольку из-за присутствия в структуре этих сплавов легкоплавкой эвтектики, состоящей практически из чистого свинца, горячая обработка давлением невозможна. Эти бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, коррозионно-стойки, хорошо обрабатываются резанием. Из них изготовляют ленты и полосы, кроме того, их применяют в качестве прокладок в подшипниках и втулках в различных отраслях машиностроения.

диаграмма Cu-Sn-Ni

Важным легирующим элементом в оловянных бронзах является никель. Он повышает прочностные свойства, пластичность и деформируемость двойных оловянных бронз, повышает их коррозионную стойкость, измельчает зерно. В равновесии с α-твердым раствором могут находиться две промежуточные интерметаллидные фазы Ni3Sn2 и Ni3Sn. Эти фазы имеют переменную, резко уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в а-твердом растворе. Поэтому оловянные бронзы с никелем термически упрочняются закалкой и старением.

Оловянно-никелеевые бронзы

В промышленности США применяются несколько марок деформируемых оловянных бронз с высоким содержанием никеля (С72500, С72650, С72700, С72900). Сообщается, что на лентах оловянно-никелевой бронзы С72500 путем особой термомеханической обработки может быть достигнута прочность σв = 690—860 МПа. Высокие механические, физические и антифрикционные свойства в сочетании с удовлетворительной электропроводностью, а также высокая коррозионная стойкость делают в ряде случаев оловянные бронзы незаменимым материалом для изготовления пружин и пружинящих деталей в машиностроении, точной механике, авиационной промышленности, химическом машиностроении, целлюлозно-бумажной промышленности.

Механические свойства оловянных деформируемых бронз
Марка E, кгс/мм2 σв, кгс/мм2 δ% HB Температура горячей  обработки, °С Температура отжига, °С
Примечание. В числителе данные для мягкого (отожженного), в знаменателе – для твердого cocтояния.
БрОФ8–0,3 11 800 40–50 55–65 90–100 600–650
100–120 1 – 2 180–240
БрОФ7–0,2 11 500 38–45 55–65 85–95 600–650
96–110 1 – 2 175–230
БрОФ6,5–0,4 11 200 30–45 60–70 70–90 700–800 600–650
70–80 7–10 170–220
БрОФ4,5–0,15 БрОФ4–0,25 10 000 30–38 40–58 55–70 700–800 600–650
50–70 6–10 160–170
БрОЦ4–3 12 400 30–40 35–45 50–70 700–800 550–650
50––60 3–6 150–170
БрОЦС4–4–2,5 7 500 30–35 35–45 50–70 550–650
55–65  2–4  150–170
БрОЦС4–4–4 7 200 32–36 30–40
 50–60 1 – 2

Термическая обработка

Основные виды термической обработки оловянных бронз: гомогенизационный, промежуточный и окончательный отжиг. Основная цель этих операций — облегчение обработки давлением и повышение пластичности.

Оловянные бронзы являются основными и практически единственными сплавами меди, кторые нуждаются в проведении гомогенизалионного отжига. В латунях, алюминиевых бронзах и большинстве других медных сплавов три формировании слитков из-за небольшого интервала кристаллизации ликвационные явления развиваются незначительно, и поэтому нагрев слитков под горячую деформацию достаточен для их гомогенизации. В сплавах системы Cu-Sn из-за большого интервала кристаллизации составы жидкой и твердой фаз сильно отличаются 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, вызванную неравновесной кристаллизацией.

В результате гомогенизационного отжига оловянных бронз повышается однородность структуры, растворяются в твердом растворе неравновесные интерметаллидные фазы, выравнивается химический состав по сечению кристаллитов в слитке. Поэтому гомогенизационный отжиг — одно из условий получения качественных деформированных полуфабрикатов из оловянных бронз. Например, после деформации с предварительным гомогенизационным отжигом относительное удлинение прутков диаметром 18 мм из бронзы БрОФ7-0,2 удалось увеличить в 3—3,5 раза при некотором снижении прочности и твердости по сравнению со свойствами прутков, не подвергавшихся отжигу. Гомогенизационный отжиг слитков из оловянных бронз проводят при 700—750°С с последующим быстрым охлаждением. Температура и время отжига должны быть достаточными для устранения последствий ликвации. Промежуточный отжиг при холодной обработке давлением проводят при температурах 500—650°С. При этом полностью устраняется наклеп, вызванный холодной пластической деформацией оловянных бронз.

Технологические свойства и режимы обработки оловянных бронз
Марка Температура, °С Обрабаты­ваемость резанием, %
(100% — ЛС63-3)
Жидко­текучесть, м Линейная усадка, % Коэффициент трения
литья горячей обработки начала рекристал­лизации отжига отжига для уменьшения напряжений со смазкой без смазки
1)Обрабатывается давлением только в холодном состоянии с деформацией 30 %.
БрОФ 4‑0,25 1250–1300 700–850 350–360 600–650 250–260 20 - 1,4 - -
БрОФ 6,5‑0,15 1150– 1250 750–850 - 600–700 250–260 20 - - - -
БрОФ 6,5‑0,4 И 50– 1250 750–770 350–360 600–700 250–260 20 1,17 1,45 0,01 0,12
БрОФ 7‑0,2 1170– 1250 750–800 - 600–720 250–280 16 - - - -
БрОФ 8‑0,3 1150– 1250 680–750 - 600–720 - - - - - -
БрОЦ 4‑3 1200– 1250 750–850 400 600–700 250–260 20 0,2 1,45 - -
БрОЦС 4‑4‑2,51) 1150– 1200 - 400 500–600 250–260 90 0,2 1,49 0,016 0,26
БрОЦС 4‑4‑4 1150– 1200 - - 600–700 - 90 0,25 - 0,016 0,26

Коррозионные свойства

Оловянные бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. В сельской местности, в промышленных районах городов, в условиях морского климата скорость коррозии бронз, содержащих 5—8%  Sn, не превышает 0,002 мм/год. В морской воде оловянные бронзы более коррозионностойки, чем медь и латуни, причем стойкость бронз в морской воде повышается с увеличением содержания олова. Никель также повышает коррозионную стойкость оловянных бронз в морской воде, а свинец при высоком содержании — понижает.

Оловянные бронзы имеют удовлетворительную устойчивость против коррозии в атмосфере перегретого пара при температуре 250°С и давлении не выше 2,0 МПа, сухих газов: хлора, брома, фтора и их водородных соединений, а также окиси углерода, кислорода и чстыреххлористого углерода.

Оловянные бронзы неустойчивы в среде минеральных кислот, щелочей, аммиака, цианидов, железистых и сернистых соединений кислых рудничных вод. Из минеральных кислот особенно сильно действуют соляная и азотные кислоты, серная в этом отношении является менее агрессивной. Однако скорость коррозии оловянных бронз под действием серной кислоты увеличивается в присутствии окислителей (К2Сг2O7, Fe2(SO4)3 и др.). В присутствии замедлителей, например, 0,05% бензиотиоцианита, скорость коррозии оловянных бронз уменьшается в 10—15 раз.

В условиях электрохимической коррозии в паре с другими медными сплавами или менее благородными металлами (латунь, железо, алюминий, цинк) скорость коррозии оловян¬ных бронз не увеличивается, так как эти материалы являются протекторами по отношению к бронзе и коррозионное разрушение их идет с большой скоростью.


Связанные страницы: