Особливості обробки деформівних алюмінієвих бронз

Для отримання гомогенних деформованих напівфабрикатів з поліпшеними механічними властивостями і високою сталою міцністю рекомендується алюмінієві бронзи відливати безперервним способом , а подальшу обробку проводити спеціальним методом, що включає операції:

а ) гарячу обробку литої заготовки з сумарним обтисненням до 30% ;

б) термічну обробку при заданій температурі (t0 ) з відхиленням ± 2 ° С (нагрівання до заданої температури , витримка 20 хв на кожні 25 мм перерізу матеріалу) ;

в) загартування у воді або маслі при температурі 600 ° С;

г) гарячу обробку тиском при температурі на 35-50 ° С менше тієї , яка прийнята при термічній обробці на стадії "б " залежно від вмісту алюмінію в сплаві ( вміст алюмінію має бути визначено з точністю ± 0,02 %). Температура термічної обробки визначається за емпіричною формулою:

t = ( 1990 - 1000A ) ° С ,

де А - вміст алюмінію в сплаві , % ( по масі) .

Графічна залежність температури від вмісту алюмінію при термічній і другій гарячій обробці тиском алюмінієвих бронз наведена на рис. 1 .

Рисунок 1 . Залежність температури від вмісту алюмінію при термічній і гарячій обробці тиском алюмінієвих бронз :

1 - температура термічної обробки;

2. - температура гарячої обробки тиском. [6]

Алюмінієві бронзи також піддають відпалу , загартуванню та відпуску внаслідок значної зміни механічних властивостей цих сплавів. Загартування алюмінієвої бронзи , близької до евтектоїда складу ( 10, 0 % А1) , призводить до зниження твердості , а відпуск загартованої бронзи збільшує її твердість.

Міцність двофазних бронз можна додатково підвищувати гартуванням і наступним відпуском. Під час прискореного охолодження β-твердий розчин перетворюється в мартенситну γ'-фазу. Механічні властивості загартованих бронз змінюються наступним відпуском, в результаті якого має місце розпад γ'-фази з утворенням дисперсного евтектоїду (β + γ₂). Зміняючи температуру і тривалість відпуску, можна одержувати потрібні механічні властивості готового виробу. [5]

2. Фазовий та структурний склад

Алюмінієві бронзи - сплави на основі міді, в яких головним легуючим елементом є алюміній. Застосовують двох-і багатокомпонентні сплави. Діаграма стану системи Cu-Аl в рівноважному стані наведена на рис. 2.

Рисунок 2 . Діаграма стану системи ( рівноважний стан)

З діаграми видно, що максимальна розчинність алюмінію в міді в твердому стані становить 9,4% (по масі). З підвищенням температури з 565 до 1037 ° С розчинність алюмінію в міді зменшується і досягає 7,5%.

До стабільних фаз системи Cu-Аl відносяться α, β, γ₂ і α₂ фази.

Фаза α - первинний твердий розчин , ізоморфний , з елементарною гранецентрированною кубічною кристалічною решіткою. При повільному охолодженні сплаву до температури 400 ° С α - фаза утворює ближній порядок , що призводить до помітного зниження її електроопору , який продовжується і при температурі нижче 200 ° С в результаті усунення дефектів решітки.

Фаза β - твердий розчин , що утворюється на основі стехіометричного складу Cu₃Аl безпосередньо з розплаву при температурі 1036-1079 ° С , з елементарною центрованою кубічною кристалічною решіткою . Фаза β - пластична, електропровідна і стабільна при температурі вище 565 ° С. При швидкому охолодженні сплаву ( зі швидкістю > 2 ° С / хв) вона досягає різких перетворень типу мартенситних , утворюючи проміжні фази ( рис. 2 )

При повільному охолодженні ( < 2 ° С / хв) β - фаза розпадається на евтектоід (α + γ₂₎ з утворенням грубозернистої γ₂ фази , що виділяється у вигляді безперервних ланцюгів , що додає сплаву крихкість.

Фаза γ₂ ( Cu₉AI₄ ) , що утворюється з фази γ ' , стабільна при низьких температурах , крихка і тверда , з електропровідністю меншою, ніж у β – фази.

Фаза α₂ , що утворюється при температурі 363 ° С в результаті перитектоідної реакції між фазами α і γ₂ , має гранецентровану кубічну кристалічну решітку , але з іншими параметрами.

Метастабільні фази в сплавах : β₁ - з елементарною центрованою кубічною кристалічною решіткою ( а - 5,84 Å , Аl - 11,9 %) , упорядкована ;

β '- з елементарною гранецентрованою кубічною кристалічною решіткою

( Аl - 11,6 %) , дуже деформована ; β₁ '- з елементарною ромбічною кристалічною решіткою ( а = 3,67 Å , с = 7,53 Å , Al - 11,8 %) , упорядкована ; γ₁ - фаза з елементарним орто-ромбічним осередком ( а = 4,51 Å , в = 5,2 Å , с = 4,22 Å , Al - 13,6 %) , упорядкована . Передбачається існування інших фаз , які є різновидом фази β₁ ' .

Визначати структури сплавів Cu - Al досить важко. Для отримання рівноважних структур сплавів необхідні дуже великі швидкості охолодження ( від 1 до 8 ° С / хв залежно від змісту алюмінію). Такі структури виявляються при травленні сплавів хлорним залізом . Однак , травлення хлорним залізом не завжди дозволяє чітко визначати фази в сплавах , охолоджених із звичайною швидкістю. У цьому випадку для виявлення справжньої структури сплавів Cu - Al застосовуються спеціальні методики з використанням електролітичного полірування .

Структура подвійних мідно- алюмінієвих сплавів і багатокомпонентних бронз на основі системи мідь - алюміній в рівноважному стані визначається діаграмою стану(рис.3) .

Рисунок 3 . Діаграма фазових перетворень алюмінієвої бронзи

із вмістом алюмінію 12,07 % ( по масі)

Однак у виробничих умовах при литві зливків і заготовок , обробці їх тиском в гарячому і холодному стані швидкості охолодження і нагріву значно відрізняються від тих , при яких побудована рівноважна діаграма стану .

Тому й структури литих і деформованих напівфабрикатів відрізняються від тих , які визначені рівноважною діаграмою стану .

Для визначення властивостей і мікроструктури сплавів в метастабільному стані будують С- подібні криві, що показують кінетику фазового перетворення в залежності від швидкості охолодження і ізотермічної витримки при температурах нижче температури евтектоїдних перетворень.

Однофазні сплави ( α - алюмінієві бронзи) пластичні і добре обробляються тиском , двофазні сплави ( α + γ₂ - алюмінієві бронзи) з високим вмістом алюмінію менш пластичні і застосовуються , головним чином , як ливарні.

Необхідно відзначити , що фактичний зміст алюмінію в промислових сплавах коливається в широких межах , що позначається на стабільності механічних властивостей литих і деформованих напівфабрикатів з алюмінієвих бронз .

Зміна механічних властивостей алюмінієвих бронз , оброблюваних тиском , ( межі міцності при розтягуванні σ_в , пропорційності σ_пц і плинності σ_0,2 , відносне подовження - δ і звуження ψ , ударна в'язкість а_н (КС) і твердість по Бринеллю (НВ ) залежно від вмісту алюмінію , як показано на рис. 4 .

Рисунок 4. Зміна механічних властивостей алюмінієвих бронз Cu - Al залежно від вмісту алюмінію :

а - смуги , деформовані на 40 % і відпалюють при температурі 650С протягом 30 хв .;

б - пресовані прутки і труби з алюмінієвої бронзи БрАЖМц10 - 3 - 1 , 5.

Ця особливість алюмінієвих бронз врахована в зарубіжних національних стандартах ( США , Німеччина , Великобританія , Франція та ін.) У цих країнах для підвищення стабільності механічних властивостей алюмінієвих бронз передбачається більш вузький інтервал вмісту в них алюмінію , який , приблизно , в 1,5-2 рази менше , ніж у подібних бронзах , застосовуваних у Росії і країнах СНД (див. сплави по ГОСТ 493 , ГОСТ 17328 та зарубіжні сплави - ​​аналоги) .

У США , Франції та Японії є групи бронз типу БрАЖМц , в яких необхідні механічні властивості досягаються тільки за рахунок зміни вмісту алюмінію . [6]

2. Застосування алюмінієвих бронз

Алюмінієві бронзи найчастіше використовуються в устаткуванні, де завдяки стійкості до корозії, вони мають перевагу у порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Сюди слід віднести підшипники і компоненти шасі у літаках, компоненти двигунів (особливо для морських суден), занурені у воду елементи конструкцій корпусів суден та їх гребні гвинти.

Алюмінієва бронза завдяки красивому золотисто-жовтому кольору і високій корозійній стійкості іноді також застосовується як замінник золота для виготовлення біжутерії та монет.

Алюмінієві бронзи найбільшим попитом користуються у наступних галузях і сферах:

• при виготовленні обладнання, що експлуатується в морських умовах;

• в обладнанні водопостачання;

• у нафтовій і нафтохімічній промисловості (наприклад, для виготовлення інструменту, що експлуатується у вибухонебезпечних середовищах);

• для виготовлення обладнання, що експлуатується в умовах корозійного середовища;

• для виготовлення декоративних елементів будівельних конструкцій.

Алюмінієва бронза піддається зварюваннюв середовищі інертного газу (аргону). [3]

Таблиця 2. Застосування алюмінієвих бронз

Марка бронзи	Характерні властивості	Види полуфабрикатів
БрАМц9-2	Високий опір при знакозмінному навантаженні	полоси, стрічки, прутки, проволки, поковки
БрАЖ9-4	Високі механічні     властивості, хороші   антифрикційні властивості, корозостійка	прутки, труби, поковки
БрАЖМц10-3-1,5	Погано деформується в холодному стані, висока стійкість при підвищених температурах , висока  ерозійна і кавітаційна стійкість	прутки, труби, проволки, поковки
БрАЖН10-4-4	Погано деформується в холодному стані, деформується в горячому стані, висока міцність при підвищених температурах, корозостійкість, висока ерозійна і кавітаційна стійкість	прутки, труби, поковки

2. Утилізація виробів з алюмінієвих бронз

Найбільш доцільним варіантом використання металобрухту і відходів алюмінієвих бронз являється їх металургійна переробка на сплави або чистий метал. При цьому вилучують всі цінні складові вихідної сировини. Для отримання кондиційованих сплавів необхідно застосування якісної вторинної сировини.

Процес утилізації алюмінієвих бронз складається з трьох стадій - розбирання, чорнової плавки і рафінування. Перша стадія має на меті відділення попутних металів і неметалевих, в тому числі полімерних, компонентів, друга дозволяє одержати метал, а саме – мідь, 99% чистоти, третя - очистити до 99,99% чистоти.

Бронзу обробляють гідрометалургійним методом, переводячи в розчин всі основні компоненти сплаву і потім виділяючи їх шляхом електролізу. Для розчинення найчастіше використовують сірчану кислоту, а в якості окисників - кисень або дихромат калію.

При виплавці сплавів застосовують покривні і рафінуюючі флюси. Покривні флюси утворюють на поверхні ванни металу захисний шар, який захищає розплавлений метал від контакту з пічними газами, скорочує возгонку летучих компонентів, знижує склад газів в сплаві. Покривні флюси в рідкому стані можуть розчиняти окисли. Їх загружають в піч зі стружкою і іншим мілкими відходами. Рафінуючі флюси застосовують для видалення з рідкого сплаву, шкідливих домі шків. При виготовленні значної частини сплавів на мідній основі шкідливими домішками являються алюміній, кремній, залізо, сурма. В склад рафінуючих флюсів входять хімічно активні речовини, які приводять домішки в нерозчинні в рідкому металі з’єднання. Останнє потім відшлаковується.

В якості компонентів флюсу використовують кальціновану соду, плавиковий шпат, сульфат натрію, буру, фтористий натрій, бій стекла, деревинне вугілля, галогеніди щелочних металів та ін.

ВИСНОВКИ

Алюмі́нієва бро́нза — вид бронзи, у якої алюміній є основним легуючим металом, що додається до міді (на відміну від звичайної бронзи, де мідь легується оловом або латуні, де використовується цинк). Промислове застосування знайшли алюмінієві бронзи різного складу але при цьому більшість сплавів містить алюмінію в діапазоні від 5% до 11% за масою, решта маси становить мідь та інші легуючі елементи, такі як залізо, нікель, марганець і кремній. [3]

Алюмінієві бронзи леговані залізом типу БРАЖ10 - 10 відрізняються підвищеною опірністю абразивного зносу і ерозій , проте менш стійкі в морській воді.

При легуванні марганцем алюмінієві бронзи підвищують свої механічні та корозійні властивості і покращують технологічні характеристики. Вони відрізняються підвищеною корозійною стійкістю , холодостійкістю і високим деформуванням в гарячому і холодному стані.

Легування нікелем алюмінієвих бронз помітно підвищує їх фізико -механічні властивості, холодостійкість та антифрикційні характеристики , корозійну і ерозійну стійкість в морській воді і слабких солянокислих розчинах; жаростійкість і температуру рекристалізації без помітного погіршення технологічних характеристик. [6]

Мікроструктура алюмінієвих бронз (в залежності від вмісту алюмінію) може мати стабільні фази (α, β, γ₂ і α₂) або метастабільні фази, β₁, β ',β_1, 'γ₁. Через це алюмінієві бронзи мають хороші фізико-механічні та антифрикційні властивості. Однофазні сплави ( α - алюмінієві бронзи) пластичні і добре обробляються тиском , двофазні сплави ( α + γ₂ - алюмінієві бронзи) з високим вмістом алюмінію менш пластичні і застосовуються , головним чином , як ливарні. [6]

Алюмінієві бронзи найчастіше використовуються в устаткуванні, де завдяки стійкості до корозії, вони мають перевагу у порівнянні з іншими конструкційними матеріалами. Сюди слід віднести підшипники і компоненти шасі у літаках, компоненти двигунів (особливо для морських суден), занурені у воду елементи конструкцій корпусів суден та їх гребні гвинти.[2]

Список літератури

1. http://www.ukrtechno.info/index.php?mod=text&uitxt=803 – Види бронзи

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Бронза - Бронза

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Алюмінієва_бронза - Алюмінієва бронза

4. http://www.ukrtechno.info/index.php?mod=text&txnode=350&uitxt=805 – Марки бронз і латуней

5. http://www.ngpedia.ru/id412304p1.html - Большая энциклопедия Нефти Газа

6. http://libmetal.ru/bronze/bronze%20al.htm – Справочник по цветным металлам – Алюминиевые бронзы

26