Алюминиевые бронзы, обрабатываемые давлением

Химический состав

Алюминиевые бронзы — это медные сплавы, в которых главным легирующим элементом является алюминий. Эти сплавы отличаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Во многих случаях они являются полноправными заменителями оловянных бронз. В промышленности применяются двух- и многокомпонентные сплавы. Многокомпонентные алюминиевых бронзы кроме алюминия содержат никель, железо и марганец.

Алюминиевые бронзы содержат до 11—12% Al. Согласно диаграмме состояния Cu-Al , сплавы, содержащие до 9,4 % Al, являются однофазными α-растворами. Высокотемпературная β-фаза является твердым раствором на основе соединения Cu₃Al электронного типа с электронной концентрацией 3/2. Эта фаза является аналогом β-фазы в латунях и имеет объемно центрированную кубическую решетку. Фаза β пластична, поэтому алюминиевые бронзы при горячей деформации нагревают в температурную область существования β-фазы. При температуре 565°С β-фаза претерпевает эвтектоидный распад β → α + γ₂, где γ₂ - твердый раствор на основе соединения Cu₉Al₄ с электронной концентрацией 21/13. Согласно диаграмме состояния Cu-Al, эвтектоидное превращение в алюминиевых бронзах происходит при содержании алюминия от 9,4 до 15,6%.

По данным ряда исследователей, в системе Cu-Al существует α₂-фаза, образующаяся по перитектоидной реакции α + γ₂ → α₂. Фаза α₂ изоморфна с αα-твердым раствором на основе меди и имеет кубическую решетку типа Mn_β (кубическая решетка с 20 атомами в элементарной ячейке).

Механические свойства

С увеличением содержания алюминия прочностные свойства бронз повышаются, достигая максимальных значений (σ_в = 600 МПа) при 10—11% Al, затем заметно снижается при 12% Al. Однофазные α-бронзы пластичны, хорошо обрабатываются давлением при высоких и низких температурах, но прочность их невелика. Например, у марки БрА7 в отожженном состоянии σ_в = 500 МПа, δ = 50 70%.

Фаза γ₂ имеет высокую твердость и ничтожно малую пластичность, поэтому двухфазные бронзы, содержащие эвтектоид (α + γ₂), отличаются более высокой твердостью и прочностью, но имеют пониженную пластичность. Двухфазные алюминиевые бронзы легко обрабатываются давлением в горячем состоянии с нагревом в однофазную область β. Из-за ликвационных явлений γ₂-фаза появляется в структуре сплавов при меньших концентрациях (начиная с 7,5—8 % Al), чем это следует из равновесной диаграммы состояния. Поэтому БрА7 - наиболее высоколегированный однофазный сплав.

Физические свойства

Алюминий оказывает существенное влияние и на физические свойства бронз. Высокое содержание алюминия в алюминиевых бронзах значительно снижает их плотность по сравнению с плотностью чистой меди. Это обстоятельство имеет большое значение при промышленном применении алюминиевых бронз, особенно в авиакосмической технике и судостроении. Плотность бронзы БрАЖ9-4 составляет 7,5 г/см³, а плотность меди — 8,9г/см³

Алюминиевые бронзы хорошо поддаются полировке и благодаря присутствию алюминия имеют хорошую отражательную способность. В связи с наличием в бронзах алюминия максимум в спектре отражения световых волн (по сравнению с медью) сдвигается в сторону более коротких волн.

Наличие в составе бронз значительного количества алюминия приводит к резкому снижению высокой теплопроводности, характерной для чистой меди. Теплопроводность промышленных алюминиевых бронз, содержащих около 10% Al, составляет в среднем 75 Вт/(м×К) (390 Вт/(м×К) для чистой меди). Однако это снижение способствует некоторому расширению области применения алюминиевых бронз (например, в технике низких температур).

Легирование алюминиевых бронз никелем, железом и марганцем приводит к дальнейшему снижению их теплопроводности. Многокомпонентная алюминиевая бронза БрАЖН 10-4-1, содержащая 10% Al, 4% Fe и 4% Ni, имеет теплопроводность 58,7 Вт/(м×К). Особый интерес представляет изменение теплопроводности алюминиевых бронз в зависимости от температуры. В то время как для чистой меди с повышением температуры происходит незначительное снижение теплопроводности, для алюминиевых бронз, как и для многих других сплавов на медной основе, характерно увеличение теплопроводности с повышением температуры.

Аналогично теплопроводности изменяется и электропроводность алюминиевых бронз: с увеличением содержания алюминия она снижается, снижение электропроводности сопровождается уменьшением температурного коэффициента электропроводности. Легирование другими элементами и прежде всего марганцем и никелем приводит к еще более резкому снижению электропроводности. Так, например, сплавы с марганцем обладают высоким электрическим сопротивлением и благодаря этому находят специальное применение в технике.

Превращения в алюминиевых бронзах

Диаграмма состояния Cu-Al является базовой при разработке алюминиевых бронз и при анализе фазовых превращений, происходящих в этих сплавах при различных технологических операциях. Фазовые превращения в твердом состоянии имеют только те алюминиевые бронзы, в которых существует высокотемпературная β-фаза. Характер этих превращений зависит не только от химического состава, но и от ряда технологических факторов, в частности, от скорости охлаждения полуфабрикатов или изделий, что объясняет большое разнообразие их свойств. Эти превращения нередко трудно предусмотреть, особенно при легировании алюминиевых бронз никелем, железом, марганцем и другими элементами. Однако многие процессы фазовыхпревращений, происходящие в многокомпонентных бронзах, по существу, мало отличаются от процессов в двухкомпонентных сплавах системы Cu-Al. Поэтому основные процессы рассматриваются на примере двойных алюминиевых бронз, для которых они изучены наиболее полно.

В сплавах системы Cu-Al в интервале концентраций 8,5—15% Al β--фаза кристаллизуется непосредственно из жидкости. С понижением температуры концентрационная область существования β--фазы уменьшается. При температуре 565°С высокотемпературная Р-фаза распадается на эвтектоид (α + γ₂) по реакции β → α + γ₂. Это превращение относится к стабильной равновесной системе, когда скорости охлаждения невелики и диффузионное перераспределение алюминия и меди в кристаллической решетке р-фазы позволяет осуществлять ее распад с образованием двух новых фаз, отличающихся химическим составом: α - 9,4 % А1 и γ₂ - 15,6% Al. Такое превращение можег происходить при получении массивных слитков, больших деталей, отливаемых в песчаные формы, т.е. когда невысокие скорости охлаждения, близкие к равновесным, могут вызвать эвтектоидный распад β- фазы.

Если скорости охлаждения высоки и диффузионное перераспеределение компонентов в кристаллической решетке β-фазы осуществиться не успевает, то эвтектоидный распад не происходит. Однако β-фаза не является стабильной и превращается в другие фазы.

Основное превращение β-фазы в этих условиях — это мартенситное превращение. Если сплав закалить из однофазной области существования β-фазы, то эвтектоидное превращение подавляется, и ниже температуры Мн происходит мартенситное превращение (с увеличением содержания алюминия в бронзах Мн понижается). В зависимости от концентрации алюминия в сплавах образуются различные мартен-ситные фазы:β', β", и γ'.

При концентрации алюминия более 11 % (по массе) β-фаза с неупорядоченной структурой превращается в β^'-фазу с упорядоченной структурой (решетка DO_3> или типа Ре3А1). Превращение «порядок» ↔«беспорядок» (β'↔ β₁) осуществляется при температуре Т_с (точка Курнакова), находящейся между температурой эвтектоидного превращения и точкой Мн. Это превращение невозможно предотвратить даже закалкой. Наибольшая степень упорядочения отвечает соотношению меди и алюминия равным 3/1, что соответствует стехиометрическому составу промежуточной фазы Cu₃Al.

Мартенситное превращение в алюминиевых бронзах происходит без участия диффузии атомов в кристаллической решетке. Поэтому концентрация атомов легирующих элементов в исходной (β) и мартенситной фазе (β', β'₁ или γ₁) одинакова. Мартенситная фаза от исходной отличается только типом кристаллической решетки. Мартенситная фаза β', которая образуется из неупорядоченной β-фазы (β → β'), также имеет неупорядоченное расположение атомов в кристаллической решетке. Мартенситные фазы β'₁ и γ'₁, (β₁→ β'₁ и β₁→ γ'₁), наследуя упорядоченность исходной фазы, также имеют упорядоченную структуру. Цифровой индекс «1» относится к фазам с упорядоченным расположением атомов в кристаллической решетке.

Для промышленных алюминиевых бронз, содержание алюминия в которых обычно не превышает 12%, структура в закаленном состоянии состоит из β'- или β'₁-мартенсита и продуктов его превращения (мартенситная фаза γ'₁ в этих сплавах не образуется). Отпуск сплава с мартенситной структурой может приблизить ее к равновесной с наличием двухфазной смеси (α + γ₂) той или иной дисперсности при реализации распада мартенсита: β' → α + γ₂. Экспериментально можно установить температуру отпуска, требуемого для получения в сплаве определенной структуры с необходимым уровнем механических свойств. Закаленные алюминиевые бронзы с мартенситной структурой отличаются повышенной твердостью и низкой пластичностью. Распад мартенсита при отпуске с образованием эвтектоидной смеси (α + γ₂) с тонким игольчатым строением не приводит к существенному снижению твердости. Только с увеличением количества и размеров частиц α-фазы в структуре сплава твердость падает и, соответственно, повышается пластичность.

Наличие мартенситного превращения в алюминиевых бронзах обусловливает возможность применения упрочняющей термической обработки (закалки с последующим отпуском) к этим материалам. Однако эффект упрочнения от упрочняющей термической обработки у алюминиевых бронз не столь велик, как в углеродистых и легированных сталях, поэтому применяют ее только для конкретных деталей из высоколегированных многокомпонентных бронз (типа БрАЖН 10-4-4).

Особый интерес представляют алюминиевые бронзы на основе β-фазы, так как именно эти сплавы могут применяться в качестве материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). В них возможность получения материалов с ЭПФ основана на обратимости мартенситного превращения и сверхупругости. Наиболее полно требованиям, необходимым материалам с ЭПФ, отвечают сплавы тройной системы Cu-Al-Ni. Составы этих сплавов ограничиваются областью, где при высокой температуре существует β-фаза. Эта область близка составу тройного сплава Cu - 14% Al - 4% Ni. Эта композиция является исходной при разработке алюминиевых бронз с ЭПФ.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства алюминиевых бронз и характеристика многокомпонентных бронз

Двухкомпонентные алюминиевые бронзы БрА5 и БрА7

В промышленности применяются две марки двухкомпонентных алюминиевых бронз БрА5 и БрА7. Это однофазные сплавы, они обладают хорошим сочетанием прочностных свойств и пластичности, отличаются высокой технологичностью: отлично обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, коррозионностойки. С увеличением содержания алюминия прочность однофазных α-бронз повышается, поэтому бронза БрА7 превосходит бронзу БрА5 по прочностным свойствам. Единственным способом повышения прочностных свойств этих материалов является нагартовка при холодной пластической деформации.

В процессе производства деформированных полуфабрикатов для снятия нагартовки и повышения пластичности бронзы подвергают рекристаллизационному отжигу. Пластичность холоднодеформированной бронзы БрА7 практически полностью восстанавливается после отжига при температуре 600—700°С. Более высокие температуры отжига применять не следует, так как это приводит к сильному росту зерен рекристаллизованного металла. Следует иметь в виду, что при обработке давлением в горячем состоянии бронзы с содержанием алюминия, близким к границе α/(α + β) (типа БрА7), в ее структуре может появиться небольшое количество β-фазы. В связи с тем, что деформируемость (технологическая пластичность) β-фазы в горячем состоянии лучше, чем α-фазы, горячую прокатку бронз подобного состава во избежание образования трещин следует проводить с меньшей интенсивностью и с меньшими обжатиями. Для улучшения механических, технологических свойств, коррозионной стойкости алюминиевые бронзы дополнительно легируют марганцем, железом и никелем.

Легирование магранцем бронз БрАМц9-2 и БрАМц10-2

В качестве легирующего элемента в деформируемые алюминиевые бронзы марганец обычно вводят до 3—4%. Он в значительных количествах растворяется в α- и β-фазах, снижает в сплавах системы Cu-Al температуры эвтектического L → α + β (Cu₃Al) —1037°С и эвтектоидного (β → α + γ₂(Cu₉Al₄) — 565°С превращений. Поэтому в сплавах системы Cu-Al-Mn эти превращения реализуются в интервалах температур соответственно ниже 1037 и 565°С.

О влиянии марганца на структуру можно судить по изотермическим разрезам системы Cu-Al-Mn. Область существования высокотемпературной β-фазы расширяется с увеличением содержания марганца за счет уменьшения области твердого α-раствора. Одновременно понижается температура эвтектоидного распада: трехфазная область α + β + γ₂ этого превращения существует на разрезе при 500°С.

В промышленности применяются две бронзы системы Cu-Al-Mn: БрАМц9-2 и БрАМц10-2. Составы этих сплавов находятся в области первичной кристаллизации β-фазы, поэтому обе бронзы после окончания кристаллизации являются однофазными сплавами со структурой β (Cu₃Al)-фазы. При последующем охлаждении в твердом состоянии из-за уменьшении растворимости меди в фазе р в обоих бронзах происходит превращение β → α. При температурах несколько ниже 565° оставшаяся фаза β прегерпевает эвтектоидный распад β → В бронзе БрАМцЮ-2, содержащей больше алюминия (в среднем 10 %), эвтектоидной смеси (α + γ₂) больше, чем в бронзе БрАМЦ9-2.

Марганец повышает механические и коррозионные свойства и улучшает технологические характеристики сплавов системы Cu-Al. Он повышает не только прочность, но и пластичность и обрабатываемость давлением. Бронза БрАМц9-2 хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, в то время как бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 и БрАЖН10-4-4 хорошо деформируются только в горячем состоянии.

Легирование железом бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц 10-3-1,5

Железо повышает прочностные свойства алюминиевых бронз при некотором снижении их пластичности. В алюминиевых бронзах железо растворяется в небольших количествах. При содержании железа более 2—3% в структуре бронз появляется железистая составляющая γ_Fe- твердый раствор на основе железа. Первичные кристаллы этой фазы измельчают литую структуру и вместе со вторичными кристаллами γ_Fe измельчают структуру эвтектоида (α + γ₂), тормозят рост зерен α-фазы при горячей деформации и рекристаллизации, что положительно сказывается на прочностных свойствах бронз.

Наиболее широко в промышленности применяется алюминиевая бронза БрАЖ9-4. легированная железом. Она используется для изготовления деформированных полуфабрикатов и фасонных отливок, применяется в авиационной промышленности (шестерни, втулки, седла клапанов и т.п.) и других областях машиностроения. Обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами и хорошей коррозионной стойкостью. Отожженные полосы имеют σ_в = 500— 600 МПа, δ = 20 — 30%.

Комплексно легированная алюминиевая бронза БрАЖМц 10-3-1,5 применяется в авиакосмической технике (втулки, шестерни, диски, ниппели и т.п.) и других отраслях машиностроения, поставляется в виде прутков и труб. Прессованные полуфабрикаты имеют σ_в = 600 МПа, δ = 12%. Хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии, удовлетворительно сваривается и обрабатывается резанием, пайка вызывает значительные трудности.

Легирование никелем

Никель является одним из наиболее важных легирующих элементов в алюминиевых бронзах. Он улучшает механические свойства и коррозионную стойкость бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропрочность. Сплавы меди, легированные алюминием и никелем, хорошо обрабатываются давлением, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости.

Никель имеет неограниченную растворимость в меди. Однако он сильно уменьшает растворимость алюминия в меди при понижении температуры. Поэтому медные сплавы, легированные алюминием и никелем, существенно упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки и старения, из-за выделения дисперсных интерметаллидов θ(Ni₃Al) и NiAl. К преимуществам этих материалов относится то, что при достаточно высоком содержании никеля они способны к старению после охлаждения с температур горячей деформации без применения специальной закалки на твердый раствор, которую в ряде случаев технически осуществить невозможно.

Алюминиевые бронзы, как правило, одновременно легируют никелем и железом. При этом железо вводят главным образом для измельчения зерна. Фазовый состав и структура этих сплавов контролируется диаграммой состояния системы Cu-Al-Ni-Fe.

Многокомпонентные алюминиевые бронзы, легированные никелем и железом, отличаются от двойных главным образом присутствием в их структуре æ-фазы. Она является промежуточной фазой с ОЦК решеткой и представляет собой твердый раствор железа в фазе NiAl, т.е. (Ni, Fe)Al. Благодаря равномерному распределению в матричном α-растворе и тонкому строению æ-фазы повышается прочность бронзы. Такая структура может быть получена путем закалки и старения. Уупрочняющая термическая обработка может применяться к алюминиевым бронзам, легированным никелем и железом, так как растворимость æ-фазы в α-твердом растворе уменьшается с температурой.

Другая особенность четырехкомпонентных сплавов системы Cu-Al-Ni-Fe заключается в том, что при совместном введении в алюминиевые бронзы железа и никеля увеличивается концентрация алюминия, при которой в структуре появляется хрупкая эвтектоидная смесь. Так, например, если в двойных сплавах системы Cu-Al эвтектоид (α + γ₂) появляется в структуре при концентрации алюминия 9,4 % Al, то в сплавах системы Cu-Al-Ni-Fe при содержании 5% Ni и 5% Fe эвтектоидная реакция осуществляется в сплавах при содержании алюминия 11% и более. Поэтому в присутствии никеля и железа можно в большем количестве вводить алюминий в многокомпонентные бронзы по сравнению с двойными сплавами системы Cu-Al при сохранении хорошей обрабатываемости давлением. Высоколегированная бронза БрАЖН10-4-4 является наиболее высокопрочным сплавом среди алюминиевых бронз. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в пресной и морской воде и отличается повышенной жаропрочностью. Этот сплав хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии (трубы, прутки разных профилей, поковки) и применяется в авиационной промышленности и в общем машиностроении для изготовления деталей ответственного назначения, в том числе работающих при высоких температурах (шестерни, седла и направляющие втулки клапанов, гайки). Сплав БрАЖН10-4-4 применяется для изготовления литых деталей высокой прочности.

Важная особенность сплава БрАЖН10-4-4 — способность к упрочнению при термической обработке. При закалке с 980°С β-фаза претерпевает мартенситное превращение (β→β'). Последующий отпуск приводит к распаду мартенситной β'-фазы на смесь α- и γ₂-фаз. Ппри отпуске выделяются дисперсные частицы æ‑фазы, которые также способствуют упрочнению сплава. После закалки и отпуска при 400°С в течение 2 часов твердость составляет 400 НВ, против 159  в отожженном состоянии. Для получения высокой ударной вязкости рекомендуется отпуск при 650°С в течение 2 часов.