Влияние легирующих элементов на свойства алюминиевых бронз

Легирование двухкомпонентных алюминиевых бронз различными элементами заметно изменяет их свойства. Основными легирующими элементами сплавов Cu-Al являются железо, марганец и никель. В алюминиевых бронзах, как правило, содержание железа и никеля не превышает 5,5, марганца 3 % (по массе).

Железо в твердом состоянии незначительно растворимо в сплавах Cu-Al и образует с алюминием интерметаллическое соединение состава Fe3Al, которое выделяется как самостоятельная фаза в виде мелкодисперсных частиц. При содержании в сплавах около 1% Fe обра­зуется незначительное количество мелкодисперсных частиц, располагающихся вблизи эвтектоидной области (α + γ₂) и обрамляющих ее. Однако с увеличением содержания железа их количество возрастает. Так при содержании 4% Fe мелкодисперсные частицы Fe3Al обра­зуются как в области α + γ₂, так и в области α. Мелкодисперсные частицы интерметаллического соединения Fe3Al препятствуют росту зерен в алюминиевых бронзах при высоких температу­рах. Под влиянием железа, которое значительно улучшает механические свойства и задержи­вает температуру рекристаллизации, в алюминиевых бронзах исчезает так называемое явление "самопроизвольного отжига", приводящее к повышению хрупкости сплавов. Железо, измельчая структуру, останавливает образование в Cu-Al сплавах, содержащих 8,5-11,0% Al, крупнозернистой γ2-фазы, выделяющейся в форме непрерывных цепей, обусловливающих хруп­кость.

Железо в зависимости от его содержания в сплаве влияет на структуру, фазовые превраще­ния и свойства алюминиевых бронз следующим образом: при содержании до 1,2% оно нахо­дится в твердом растворе (α-фаза), а при большем содержании - выделяется в виде отдельных глобулярных включений, которые в двойных и тройных сплавах, содержащих никель,.обычно изображаются k-фазой. Приблизительный состав k-фазы: 85% Cu, 10% Al и 5% Fe; при содержании в сплаве от 1,2 до 5,5% железо оказывает сильное модифицирующее действие на изменение первичного зерна в литых заготовках; при содержании в бронзах > 5,5% Fe это действие исчезает. Поэтому в промышленных алюминиевых бронзах содержание железа обыч­но не превышает 4 %.

Железо упрочняет алюминиевые бронзы за счет повышения прочности твердого раствора (α-фазы) и выделения k-фазы. Сплавы с высоким содержанием железа типа БрАЖ10-10 отличаются повышенной сопротивляемостью абразивному износу и эрозий, однако менее стойки в морской воде.

При дополнительном легировании сплавов системы Cu-Al-Fe марганцем и никелем значи­тельно повышаются их прочностные характеристики и коррозионная стойкость, изменяются структура и состав k-фазы.

Марганец хорошо растворяется в алюминиевых бронзах в твердом состоянии. При содержании Мп > 2% в сплавах системы Cu-Al заметно ускоряется трансформация фаз α + γ₂ в фазу β (марганец понижает эвтектоидную температуру и задерживает распад β-фазы); при содержании Mn>8% распада β-фазы практически не происходит.

Особенностью добавок марганца в алюминиевые бронзы является также появление в них при охлаждении игольчатых зародышей β-фазы до превращения β-фазы в α+ γ₂

Появление игольчатых зародышей α-фазы особенно заметно при отжиге крупногабаритных полуфабрикатов. Поэтому при отливке морских винтов, имеющих разнотолщинность от 15 до 400 мм, широко применяют специальные алюминиево-марганцевые бронзы с большим содер­жанием марганца.

В бронзах типа БрАЖ10-4, БрАЖ9-4 марганец является ведущим элементом, определяющим кинетику превращения β-фазы при нагревании и улучшающим их закаливаемость на глубину. В этих бронзах допускается содержание Mn до 1,5%. Однако с ростом содержание Mn от 2 до 5% уменьшается твердость алюминиевых бронз после закалки при температуре 800-1000°С. Поэтому для повышения твердости алюминиевых бронз при термической обработке в них должно быть не более 0,5% Mn.

Марганец повышает механические и коррозионные свойства и улучшает технологические характеристики сплавов Cu-Al. Алюминиевые бронзы, легированные марганцем, отличаются повышенной коррозионной стойкостью, хладостойкостью и высокой деформируемостью в горячем и холодном состоянии.

Никель, неограниченно растворимый в твердом состоянии в меди, практически не раство­ряется в алюминии (при температуре 560°С растворимость 0,02%). Никель увеличивает область α-фазы в системах Cu-Al и Cu-Al-Fe. В сплавахCu-Al-Ni под влиянием никеля область твердого раствора с понижением температуры значительно сдвигается в сторону медного угла, поэтому их можно подвергать дисперсионному твердению. Способность к дисперсионному твердению этих сплавов обнаруживается при содержании 1% Ni. Никель повышает температуру эвтектоидного распада β в α+γ₂ до 615°С, задерживает превращение α+γ₂ в β при нагреве. Влияние никеля становится особенно заметным при его содержании более 1,5%. Так, при содер­жании в сплаве 2% Ni β-фаза появляется при температуре 790°С, при содержании 4% Ni - при температуре 830°С.

Никель оказывает благоприятное воздействие на структуру эвтектоида α+γ₂ и псевдоэвтектоида α + β, значительно увеличивает стойкость фазовых превращений β -фазы, а при отливке и закалке способствует большему образованию количества метастабильной β'-фазы мартенситового типа. При этом α-фаза приобретает более округлую форму, структура стано­вится более равномерной, повышается дисперсность эвтектоида.

Легирование никелем алюминиевых бронз заметно повышает их физико-механические свойства (теплопроводность, твердость, усталостную прочность), хладостойкость и антифрикционные характеристики, коррозионную и эрозионную стойкость в морской воде и слабых солянокислых растворах; жаростойкость и температуру рекристаллизации без заметного ухудшения технологических характеристик. При содержании в сплавах никеля значительно повы­шается модифицирующее действие железа.

Алюминиевые бронзы системы Cu-Al-Ni применяют редко. Никель, как правило, вводят в алюминиевые бронзы в сочетании с другими элементами (преимущественно с железом). Наиболее широкое распространение получили алюминиевые бронзы типа БрАЖН10-4-4. Оптимальные свойства этих бронз достигаются при соотношении Fe:Ni =1:1. При содержании в этих бронзах 3% Ni и < 2% Fe k-фаза может выделяться в двух формах: в виде мелких округлых включений твердого раствора на основе железа, легированного алюминием и нике­лем, и в виде тонких пластин, интерметаллида состава NiAl.

Наибольшее распространение получили деформированные алюминиевые бронзы следующих систем: Cu-Al, Cu-Al-Fe, Cu-Al-Mn, Cu-Al-Fe-Mn, Cu-Al-Fe-Ni.

Алюминиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью в углекислых растворах, а также в растворах большинства органических кислот (уксусной, лимонной, молочной и др.), но неустойчивы в концентрированных минеральных кислотах. В растворах сернокислых солей и едких щелочей более устойчивыми являются однофазные алюминиевые бронзы с пониженным содержанием алюминия.

Алюминиевые бронзы менее других материалов подвергаются коррозионной усталости.

Дата добавления: 2015-07-25