Реферат Бронзы,структура, свойства,применение
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
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).
Однофазные бронзы (БрА5,БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (400-450 МПа) и пластичности (δ=60 %). Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы подвергают не холодной, а горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (600 МПа) и твердостью (более 100 НВ). Их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке) β-фаза претерпевает не эвтектоидное, а мартенситное превращение.
К недостаткам двойных алюминиевых бронз помимо большой усадки относятся: склонность к газонасыщению и окисляемости во время плавки, образование крупнокристаллической столбчатой структуры, трудность пайки. Эти недостатки уменьшаются при легировании алюминиевых бронз железом, никелем, марганцем.
В α-фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4 % железа, при большем содержании образуются включения Al Fe. Дополнительное легирование сплавов никелем и марганцем способствует появлению этих включений при меньшем содержании железа. Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз из-за замедления эвтектоидного распада β-фазы. Наилучшей пластичностью алюминиево-железные бронзы (например,БрАЖ-4) обладают после термической обработки, частично или полностью подавляющей эвтектоидное превращение β-фазы. Отпуск закаленной бронзы при 250-300 ° С приводит к распаду β-фазы с образованием тонкодисперсного эвтектоида и повышению твердости до 175 – 180 НВ.
Никель улучшает технологичность и механические свойства алюминиево-железных бронз при обычных и повышенных температурах. Кроме того, он способствует резкому сужению области α-твердого раствора при понижении температуры. Это вызывает у бронз, легированных железом и никелем (БрАЖН10-4-4), способность к дополнительному упрочнению после закалки вследствие старения. Из алюминиево-железоникелевых бронз изготовляют детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500 ° С): седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др. Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМц10-3-1,5).
Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами.
Кремнистые бронзы содержат до 3 % Si и имеют однофазную стуктуру α-твердого раствора(рис.10.14). При увеличении содержания кремния более 3% в структуре сплавов появляется твердая и хрупкая γ-фаза. Однофазная структура твердого раствора обеспечивает кремнистым бронзам высокую пластичность и хорошую обрабатываемость давлением. Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.
Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз. Добавки марганца и никеля повышают прочность, твердость кремнистых бронз. Никель, обладая переменной растворимостью в α-фазе, позволяет упрочнять никель-кремнистые бронзы путем закалки и старения.
Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1-3),(БрКМц3-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.
Марганцовая бронза получается сплавлением марганцовистого чугуна (ферромангана) с медью, затем с медью и цинком или же с медью, цинком и оловом. В Англии изготовляется пять сортов, которые отличаются друг от друга по своим свойствам (твердости, вязкости, сопротивлению разрыву) и применяются для различных целей.
Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивление, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Двойные берилливые бронзы содержат в среднем 2,0-2,5 % Be (БрБ2, БрБ2,5). Согласно диаграмме состояния системы Cu-Be (рис.10.15а), они имеют структуру, состоящую из α-твердого раствора бериллия в меди и γ-фазы – электронного соединения CuBe с ОЦК решеткой. Концентрация α-твердого раствора значительно уменьшается с понижением температуры (с 2,75 % Be при 870 ° С до 0,2 % при 300 ° С). Это дает возможность подвергать бериллиевые бронзы упрочняющей термической обработке – закалке и искусственному старению.
Изменение механических свойств сплавов меди с бериллием (рис.10.15б) показывает, что их временное сопротивление резко увеличивается в интервале 1,5-2,0 % Be. При содержании бериллия более 2,0% временное сопротивление повышается незначительно, а пластичность из-за большого количества твердой и хрупкой γ-фазы становится очень низкой.
Наибольшей пластичностью (δ=30…40 %) бериллиевые бронзы обладают после закалки с 770-780 ° С. В закаленном состоянии они хорошо деформируются. Пластическая деформация на 40 % увеличивает временное сопротивление бронзы БрБ2 почти в 2 раза (с 450 до 850 МПа). Механические свойства бериллиевых бронз достигают очень высоких значений после закалки и старения.
Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310-340 º С. При 500 º С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре. Бериллиевые бронзы обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; при ударах не образуют искр. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой, однако широкий температурный интервал кристаллизации затрудняет их дуговую сварку.
Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки и других деформированных полуфабрикатов. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки. Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответсвенного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты,. мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.
Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость. Легирование Mg, Ni, Ti, Co позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7-1,9 % без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и др.)
Приложение:
| Алюминиевые бронзы (по ГОСТ 18175–72) | ||||
| марка | химический состав | назначение | ||
| Al | Fe | Ni | ||
| | высокой пластичности (однофаз н ые) | | ||
| Бр.А5 | 4–6 | ― | ― | Ленты, полосы, для пружин. |
| | высокой прочности (двухфазные) | | ||
| Бр.АЖ 9–4 | 8–10 | 2–4 | ― | Шестерни, втулки, арматура, в.т.ч для морской воды. |
| Бр.АЖН10–4–4 | 9,5–11 | 3,5–5,5 | 3,5–5,5 | То же, при больших давлениях и трении. |
Кремнистые бронзы (по ГОСТ 18175–72)
| марка | химический состав | назначение | ||
| Si | Mn | Ni | ||
| Бр.КМц 3–1 | 2,75–3,5 | 1–1,5 | ― | Пружины, трубы, втулки в судостроении, авиации, химической промышленности. |
| Бр.КН 1–3 | 0,6–1,1 | 0,1–0,4 | 2,4–3,4 | Втулки, клапаны, болты, и др. детали для работы в морской и сточных водах. |
Бериллиевые бронзы (по ГОСТ 18175–72)
| марка | химический состав | назначение | |||
| Be | Ni | Ti | Mg | ||
| Бр.Б2 | 1,8–2,1 | 0,2–0,5 | ― | ― | Высокопрочные и токоведущие пружины, мембраны, сильфоны. |
| Бр.БНТ1,7 | 1,6–1,85 | 0,2–0,4 | 0,1–0,25 | ― | |
| Бр.БНТ1,9 | 1,85–2,1 | 0,2–0,4 | 0,1–0,25 | ― | |
| Бр.БНТ1,9Mr | 1,85–2,1 | 0,2–0,4 | 0,1–0,25 | 0,07–0,13 | |
Содержание:
1. Бронза…………………………………………………………………..2
2. Классификация бронз………………………………………………….3
3. Легирующие элементы………………………………………………...3
4. Виды бронз……………………………………………………………..3
5. Приложение…………………………………………………………….11
