Уникальные свойства бериллиевой бронзы

Контактная сварка

Это процесс, в ходе которого образуется неразъемное сварное соединение посредством нагрева металла током, проходящим через него, с дальнейшей пластической деформацией этой зоны под действием сжимающего усилия. То есть тоже техническая сфера. Здесь применение находят выполненные из бериллиевого сплава:

• Электроды. Проводники тока.
• Электрододержатели. Часть электросварочного аппарата, в которую вставляется электрод.

Срок их службы значительно выше, чем у тех компонентов, которые изготавливают из других сплавов (хромовых бронз, если быть точнее). Спектр применения широк. Вот, что сваривают с использованием компонентов из бериллиевой бронзы: проволоку, строительную арматуру, листовую углеродистую сталь, никель-хром-кремниевые сплавы, рельсы для магистральных железнодорожных путей и т.д.

Это действительно износостойкий материал. Компоненты, сделанные из него, могут работать с большими усилиями прижатия электродов, мощным током и высоким темпом. Они выдерживают большое количество сварок, поскольку у них повышенный модуль упругости, стойкость к знакопеременным нагрузкам и высокой температуре разупрочнения. А значит, не только электроды приходится реже менять – точность и прочность соединений увеличивается в несколько раз.

Свойства[ | ]

Цвет алюминиевой бронзы соломенно-жёлтый, с красноватым оттенком, напоминающим цвет золота. Основные механические свойства в твёрдом состоянии: плотность 7500…8200 кг/м³, температура плавления 1040…1084 °C, твёрдость по Бринеллю 55…220 кгс/мм², предел прочности 20…75 кгс/мм², относительное удлинение 20…75 %.

Алюминиевые бронзы в сравнении с другими бронзовыми сплавами имеют бо́льшую прочность и коррозионную стойкость. Эти сплавы демонстрируют низкий уровень поверхностной коррозии в атмосферных условиях, низкий уровень окисления при высоких температурах и слабую способность к реакциям с сернистыми соединениями и продуктами выхлопа двигателей внутреннего сгорания.

Базовые параметры

БрБ2 — это самая широко распространённый тип бериллиевой бронзы. В состав этого материала входит бериллий, который обеспечивает ему высокую твёрдость — до 400 единиц по Бринелю. Но, необходимо отметить, что такая высокая твёрдость присуща сплаву, который прошёл через искусственное старение при температуре 300 — 350 градусов цельсия.

Бериллиевая бронза обладает высокой прочностью, стойкостью к воздействию различных химических веществ. Кроме этого, сплав отличается хорошей свариваемостью. Набор этих свойств позволяет применять бериллиевую бронзу в различных отраслях, например, в электротехнической, из него производят элементы контактных групп, пружины, различного типа мембраны. К сожалению, бериллий стоит достаточно дорого и это мешает массовому применению этого материла.

Массовый объем бериллия в таком сплаве лежит в диапазоне от 1,5 до 3 %, остальное занимает медь. Вместе с тем существуют сплавы, в состав которых входят кобальт или никель. Первую называют медно — кобальтовой, она носит название МКБ. Вторую называют медно — никелевой и обозначают МНБ. В этих марках объем бериллия не превышает 0,8%. МКБ и МНБ относят к низколегированным составам.

Между тем существует такая марка, как БрВ2,5. В ней массовая доля легирующих добавок составляет 2,5% и это позволяет отнести ее к высоколегированным.

Существуют и импортные материалы, имеющие следующую маркировку:

• CuСо2Be, alloy 10, С17500;
• CuNi2Be, alloy 11, С17510.

Бериллиевые бронзы имеют следующее свойство — при нагревании до определенных температур, легирующие добавки, входящие в их состав, начинают растворяться. То есть при термической обработке (закалке), концентрация легирующих компонентов растет. В итоге происходит образование так называемого пресыщенного раствора, который, кстати, обладает низкой устойчивостью. Все дело в том, что он (раствор) может сохранять базовые свойства, возникшие во время его появления. Если изменяются какие-либо параметры, например, температура, то раствор начинает распадаться на составные части. Более того, при нагреве, в соответствии с законами термодинамики, процесс разложения ускоряется. При разложении раствора образуются элементы разного размера и именно от их наличия зависит упрочняющий эффект, достигаемый в процессе закалки. Это называется дисперсионным упрочнением.

Ключевой параметр термообработки — это температура. При обработке медно — бериллиевого сплава она лежит в пределах 775 ºC. Такая обработка приводит к росту временного сопротивления от 450 до 1400 МПа. Кроме того детали получают дополнительную пластичность.

Особенности бронзы и свойства

Основные свойства всех бронзовых сплавов — это пластичность и твёрдость. В зависимости от соотношения основных и дополнительных компонентов, можно получать большое разнообразие новых свойств. Кроме того, количество меди в сплаве определяет его цвет.

Так, золотистая бронза получится, если в составе сплава будет около 85% меди, а при уменьшении её количества до 50% получится сплав, имеющий серебристый цвет. Уменьшение же количества меди до 35% и ниже приведёт к получению на выходе серой и даже чёрной бронзы, а увеличение количества меди до 90% и выше приведёт к образованию красной бронзы.

Одной из старых марок бронзовых сплавов является колокольная бронза, применяемая и поныне для литья колоколов. Она содержит 20% олова и 80% меди. Её недостаток — повышенная хрупкость из-за наличия в сплаве большого содержания олова.

Как уже было упомянуто выше, наиболее используемыми являются сплавы меди и олова с добавлением небольшого количества других компонентов. Широкое применение таких сплавов обусловлено, прежде всего, исторически сложившимися причинами, которые привели к вытеснению мышьяковой бронзы из производства.

Такими причинами являются следующие:

• выработка за многие века месторождений теннантита и других блёклых руд, богатых медью и мышьяком. Такие руды были наиболее удобны для выделки мышьяковой бронзы, так как залегали не очень глубоко, что делало процесс производства более дешёвым по сравнению с другими источниками меди и мышьяка;
• высокая токсичность производства такой бронзы, вызванная наличием в месторождениях мышьяка, что с неизбежностью приводило к потере здоровья и дальнейшей способности трудиться у опытных металлургов и кузнецов;
• непригодность металлургического брака и сломанных изделий из мышьяковой бронзы для дальнейшей переплавки на сортовой металл. В лучшем случае такие изделия шли на изготовление бижутерии или неответственных деталей.

Пришедшие на смену мышьяковым бронзам сплавы меди и олова хоть и отличались большей дороговизной производства, но были экономически предпочтительны, так как развитие гужевого транспорта и налаживание вследствие этого торговых связей между городами и странами приводило к увеличению импорта немышьяковой бронзы.

Виды бронзы и характеристики

Развитие же крупного промышленного производства вообще привело к тому, что оловянные бронзы стали чуть ли не самым массовым видом бронз. И лишь в последние сто лет этот вид стали вытеснять сплавы меди с заменителями олова, такие как алюминиевые, кремниевые и, особенно, бериллиевые бронзы.

Таким образом, существуют следующие виды:

1. безоловянная. К ней относят бронзу, в которой вторыми компонентами являются алюминий, кремний, бериллий и другие металлы и неметаллы. Каждый из этих компонентов придаёт ей особые свойства. Например, алюминий наделяет сплав повышенными антифрикционными свойствами и высокой коррозионной устойчивостью, бериллий повышает прочность и твёрдость, а кремний и цинк улучшают её текучесть и устойчивость к истиранию;
2. оловянная. Медно-оловянный сплав, в котором медь преобладает. Является одним из первых, освоенных человеком. Обладает высокой, по сравнению с чистой медью, твёрдостью и прочностью, а также более легкоплавка. В таких сплавах олово всегда является вторым по количеству после меди и основным легирующим компонентом.

Третьими же по количеству являются такие дополнительные компоненты, как мышьяк, цинк и свинец. Этот металл из-за очень низкой усадки в основном предназначается для литья, так как с трудом поддаётся обработке давлением, резанию и заточке. Даже склонность к ликвации и низкая текучесть не мешают использовать этот сплав для изготовления конфигурационно-сложных отливок, в том числе и в художественном литье.

Бронза с добавлением цинка носит название «адмиралтейской» и используется для изготовления деталей, имеющих частый или постоянный контакт с морской водой (судостроение). Такая особенность связана с тем, что цинк придаёт сплаву повышенную коррозионную стойкость в указанной среде.

Однако, для придания бронзе коррозионной стойкости в солёной морской воде её всё чаще обогащают алюминием и никелем. Такие сплавы, часто называемые «морскими», идут на изготовление элементов нефтяных платформ, работающих на морских и океанских шельфах.

Чтобы придать бронзе дополнительные характеристики, в неё легируют небольшие количества фосфора, серебра, цинка, мышьяка, марганца и других компонентов. Так, внесение небольшого количества серебра повышает электропроводность бронзы и делает её сравнимой с электропроводностью меди.

Облагораживание БрБ2

Путём облагораживания изделия из БрБ2 получаются более твёрдыми и более пластичными. Соответственно выпускаются полуфабрикаты в мягком (М) и твёрдом (Т) состоянии.

В ходе процедуры закалки металл нагревают до некоторой температуры, после чего остужают в воде. В результате пластичные свойства металла повышаются и его применяют для изготовления деталей путём прокатки, ковки, вытяжки и гибки в холодном состоянии.

Также выпускаются полуфабрикаты из БрБ2 с закалкой и холодной деформацией. БрБ2 закаливают при температуре 750-790 °C, после чего сплав отпускают при температуре в пределах 300-350 °C. После холодной деформации механические качества твёрдости, прочности и текучести улучшаются. БрБ2 Т выделяется среди прочих бронз самым высоким показателем прочности на растяжение. И уступает по твёрдости только БрАЖН и БрАЖМц.

В представленной гистограмме указаны параметры для прутков из бронзы. Ниже представлена таблица с характеристиками верными для лент БрБ2 после закалки и облагораживания.

Данный сплав хорошо поддаётся процедурам облагораживания и закалки. Он имеет высокую прочность и твёрдость в закалённом и холоднодеформированном состоянии и достаточно пластичен после закалки. Словом, из него можно производить множество полуфабрикатов, пригодных для использования в различных областях промышленности. Но давайте обратимся к основным характеристикам этого сплава. Его характеризуют как износостойкий и стойкий к коррозионной усталости. Давайте разберёмся с этими параметрами.

Свойства и характеристики

Более распространены в народном хозяйстве оловянные бронзы. Как правило, при описании свойств указывают параметры литьевых оловянных, поскольку этим способом получают большее количество изделий.

К основным техническим характеристикам сплава относят следующие качества:

• плотность – определяется массовой долей олова. Так, при его содержании от 8 до 4%, плотность изменяется от 8,6 до 9,1 кг/куб. см;
• в зависимости от состава сплава температуры плавления его изменяется от 880 до 1060 С;
• оловянная бронза тепло проводит плохо – от 0,098 до 0,2 кал/(см*с*С);
• теплоемкость составляет в среднем 0,385 кДж / (кг*К);
• электропроводность большинства бронз тоже не слишком велика и значительно меньше, чем у меди: величина удельного электросопротивления составляет 0,087– 0,176 мкОм*м;
• материал очень медленно корродирует и на воздухе, и при контакте с водой. Так, скорость коррозии на воздухе составляет 0,002 мм/год, а в морской воде – 0,04 мм в год.

О том, какие металлы и что еще входит в состав бронзы, какова ее формула и хим. содержание, узнаете ниже.

О том, как покрасить металл «под бронзу», расскажет данное видео:

Физико-химические свойства

По внешним признакам бронзовые, латунные, медные и алюминиевые изделия имеют много схожих признаков. В сравнении с латунью продукция из бронзы характеризуется более выраженной стойкостью к абразивному износу. Медный металлопрокат имеет более высокую тепло- и электропроводность, а если сравнивать бронзу с алюминием, то она будет иметь большую плотность.

На свойства продукции оказывает прямое влияние ее химический состав. Введение даже незначительного объема легирующих веществ меняет физические характеристики металла.

Влияние легирующих компонентов:

• олово, фосфор и железо — повышают коррозионную устойчивость, прочность и твердость;
• свинец — увеличивает податливость материала к раскрою и резке;
• цинк и хром — отвечают за литейные качества и жаропрочность;
• никель, кремний, марганец и цирконий — повышают упругость, способность к пластической деформации;
• бериллий — образует на поверхности изделий защитную пленку, которая препятствует окислению.

Химические свойства бериллия

Элемент 2-валентен. Его отличает высокая химическая активность. Устойчивости бериллия на воздухе способствует быстрое окисление: образование прочной поверхностной пленки ВеО, препятствует дальнейшим реакциям. Дальнейшее быстрое окисление металла происходит при нагревании свыше 800 0С. Взаимодействие металла с водой происходит только после достижения температуры ее кипения. Бериллий растворим в большинстве кислот, исключение составляет только концентрированная азотная. Также элемент растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли бериллия.

Видео – Бериллий. Легкий и дорогой металл:

Взаимодействие Be с другими элементами происходит преимущественно при нагревании. Так, нитрид бериллия образуется при температуре свыше 650 0С в атмосфере азота. Взаимодействие Be с углеродом при 1200 0С и выше переводит металл в карбид бериллия. Более интересно происходит образование гидрида бериллия. Действительно сам металл не взаимодействует с водородом при любых температурах. Поэтому получить гидрид бериллия можно только вследствие разложения органических соединений, содержащих Be. Еще одна особенность, которой характеризуется гидрид бериллия – он устойчив только при температурах менее 240 0С.

Использование в приборостроении

Оно является наиболее распространенным. Бериллиевая бронза применяется при производстве электронных, а также электрических деталей. В первую очередь это пружинные контакты, соединители, переключатели.

Также без нее не обходится производство оптиковолоконного телекоммуникационного оборудования. К данной категории относятся:

• Оптические передатчики.
• Предусилители.
• Микросхемы синхронизации и восстановления данных.
• Блоки преобразования последовательного кода в параллельный.
• Кабели.
• Параллельно-последовательные преобразователи.
• Лазерные формирователи.

Также бериллиевую бронзу используют для производства гнездовых разъемов для соединения интегральных систем с печатной платой.

И, поскольку с развитием технологий усложняется компьютерная и мобильная техника, электронные детали все миниатюризируются. Спрос на бронзо-бериллиевые сплавы повышается, поскольку именно они являются идеальным материалом для изготовления мелких, легких и надежных деталей. Во многих современных смартфонах, коммуникаторах, ноутбуках и планшетах они уже используются.

А компьютерные соединители, переключатели, пружины и прочие детали уже давно из них изготавливают. Оценочно в 1999 году в каждом ПК содержалось как минимум 2 грамма бериллия в составе бронз.

Свойства бронзы

Если провести сравнение с латунью, то бронза характеризуется более высокой коррозионной стойкостью, прочностью и антифрикционными свойствами. Она довольно стойкая на воздухе, в соленой воде, углекислых растворах и растворах многих органических кислот. Большинство видов бронзы поддаётся сварке и пайке твёрдыми и мягкими припоями.

В зависимости от количества добавок цвет бронзы может быть от красного до белого. Рассмотрим, как легирующие элементы влияют на свойства бронзы. Олово, никель, кремний и алюминий увеличивают прочность, стойкость к коррозии, а также упругие свойства бронз. В сочетании со свинцом, цинком и фосфором повышаются и антифрикционные свойства. Никель и железо значительно измельчают зерно и увеличивают температуру рекристаллизации. Кремний и марганец увеличивают жаростойкость. Хром, цирконий и бериллий повышают жаропрочность сплавов и немного снижают электропроводность.

Давайте вкратце ознакомимся с наиболее часто используемыми видами бронзы.

• Бериллиевая бронза является лидером по показателю твёрдости среди других сплавов меди. В закалённом состоянии обладает хорошей пластичностью, технологичностью, а в состаренном состоянии – высокими механическими свойствами. Дополнительно повысить уровень механических свойств можно при помощи пластической деформации перед старением. Из бериллиевой бронзы изготавливают пружины, мембраны и инструменты.
• Алюминиевая бронза характеризуется высокой плотностью, устойчивостью к агрессивным факторам окружающей среды и химическим элементам, хорошей стойкостью к морской воде. Такой вид бронзы поддаётся обработке режущими инструментами. Из неё изготавливают ленты и полосы труб.
• Кремнецинковая бронза позволяет изготавливать изделия сложных форм, за счёт повышенной текучести в расплавленном состоянии. Такая бронза обладает высокой степенью сопротивления сжатия и не искрит при механических воздействиях.
• Свинцовистая бронза обладает отличными антифрикционными свойствами, хорошо противостоит ударным нагрузкам, а также отличается высокой прочностью и тугоплавкостью. Применяется она для сильно нагруженных подшипников.
• Оловянная бронза обладает всеми указанными выше свойствами и является наиболее широко применяемой в современной промышленности.

https://www.youtube.com/embed/dqxSXmZeFgI

Свойства системы «медь – бериллий»

Наиболее распространенной маркой бериллиевых сплавов является бронза БрБ2. Сплав данной марки относится к категории высоколегированной бронзы, что обусловлено достаточно высоким содержанием в ней основного легирующего элемента (около 2%). К низколегированным бериллиевым бронзам относятся сплавы групп МНБ и МКБ, в которых бериллия содержится не более 0.8%. Есть еще более высоколегированная бериллиевая бронза (БрВ2,5), легирующего элемента в которой содержится около 2,5%.

Бронза бериллиевая высоколегированная (БрБ2)

Сплавы, основу которых составляют бериллий и медь, отличаются следующими характеристиками:

• исключительная электро- и теплопроводность, сопоставимые с аналогичными характеристиками чистой меди;
• повышенная износостойкость, способность противостоять ползучести и усталости;
• высокий предел упругости;
• при ударах бериллиевые бронзы не выделяют искр;
• исключительно высокая устойчивость к коррозии, твердость и показатель временного сопротивления.

Свойства, которыми обладают бериллиевые сплавы, можно еще более улучшить, если подвергнуть их термической обработке: закалке и искусственному старению. Можно придать им максимальную пластичность и способность к легкому деформированию, если подвергнуть закалке при температуре порядка 775 градусов.

В обычном состоянии бронза бериллиевой группы обладает временным сопротивлением, равным 450 МПа. При пластическом деформировании деталей из бериллиевой бронзы эта характеристика улучшается на 40%. Временное сопротивление и другие механические характеристики сплавов этой группы можно улучшить в разы, если подвергнуть их искусственному старению, выполняемом сразу после закалки. В частности, бронза БрБ2 после осуществления такой термообработки имеет временное сопротивление, равное 1400 МПа.

Плиты бериллиевой бронзы

Отличает бронзы бериллиевой группы и такое важное качество, как теплостойкость. Эксплуатационные свойства таких сплавов не меняются, даже если их нагреть до температуры 340 градусов

А при температуре нагрева 500 градусов бронза бериллиевой группы обладает такими же свойствами, как изделия, изготовленные из алюминиевых и оловянно-фосфористых сплавов, эксплуатирующихся при температуре 20 градусов

А при температуре нагрева 500 градусов бронза бериллиевой группы обладает такими же свойствами, как изделия, изготовленные из алюминиевых и оловянно-фосфористых сплавов, эксплуатирующихся при температуре 20 градусов.

Технологические характеристики позволяют изготавливать из бериллиевых сплавов сложные отливки высокого качества, но обычно детали из них производят из заготовок, подвергнутых предварительной пластической деформации (листы и полосы, проволока, ленты и др). Широкое применение сплавов бериллиевой группы обусловлено еще и тем, что они хорошо поддаются различным видам обработки, а для соединения деталей из них можно использовать все известные способы (сварка и пайка). Между тем, на использование таких операций существуют и определенные ограничения, которые следует учитывать при их планировании.

Ограничения по способам соединения сплавов на основе бериллия и меди касаются как пайки, так и сварки. Пайку бериллиевых бронз следует выполнять сразу же, как была выполнена тщательная механическая зачистка соединяемых элементов. В качестве припоя при выполнении такой технологической операции используются сплавы на основе серебра, а в защитном флюсе, использование которого необходимо, должны в обязательном порядке содержаться фтористые соли. Высокое качество пайки деталей из данных сплавов обеспечивает технология, предполагающая выполнение соединения в вакууме и использование слоя защитного флюса.

Детали из бериллиевых бронз не соединяют при помощи электродуговой сварки, для этого успешно используют другие технологии: точечную, шовную, роликовую и сварку в среде инертных газов. Такое ограничение в применении электродуговой сварки обусловлено тем, что сплавы данной группы обладают большим температурным интервалом кристаллизации. Кроме этого, сварку бронз бериллиевой группы нельзя выполнять после термической обработки, что обусловлено их особыми механическими свойствами.

Полосы из бериллиевой бронзы

Применение

Пример не искрящего инструмента из бериллиевой бронзы. Бериллиевая бронза — это цветной сплав, используемый в пружинах, пружинной проволоке, датчиках нагрузки и других деталях, которые должны сохранять свою форму при многократных нагрузках и деформациях. Она имеет высокую электрическую проводимость, и используется в низкоточных контактах для батарей и электрических соединителей.

Не искрящаяся, но прочная и немагнитная, бериллиевая бронза отвечает требованиям директивы ATEX для зон 0, 1 и 2. Отвертки, плоскогубцы, гаечные ключи, зубила, ножи, и молотки из бериллиевой бронзы подходят для работы рядом с взрывоопасными веществами, например, на буровых вышках, угольных шахтах и зерновых элеваторах. Другой сплав, иногда используемый для производства не искрящихся инструментов — алюминиевая бронза. По сравнению со стальными инструментами инструменты из бериллиевой бронзы дороже в производстве, уступают им в прочности и долговечности, но достоинства бериллиевой бронзы в опасных средах могут перевешивать недостатки.

Бериллиевая бронза также используется для производства:

• некоторых ударных инструментов для их последовательного тона и резонанса, особенно бубнов и треугольников;
• криогенного оборудования, используемого при очень низких температурах, такого как рефрижераторы растворения, из-за механической прочности и относительно высокой теплопроводности данного сплава в этом диапазоне температур;
• бронебойных пуль, хотя такое использование необычно, потому что пули из стали стоят гораздо дешевле и имеют схожие свойства;
• набивок, используемых для создания RF-плотного (устойчивого к утечке радиочастоты), электронного уплотнения на дверях, используемых при испытании электромагнитной совместимости и безэховых камер.

Проволока из бериллиевой бронзы выпускается в нескольких формах: круглой, квадратной, плоской и фигурной, в мотках, в катушках и в прямом виде.

Как различаются виды

Классификация сплавов проводится в зависимости от выбранных компонентов. Бронза, изготовленная с добавлением олова, часто также содержит свинец или фосфор – это обеспечивает эффект легирования. За счет олова сплав становится более твердым и прочным, лучше переносит плавление и отлично сохраняет форму. Получаемый материал легко поддается шлифовке, а наличие специальных компонентов позволяет добиться более высоких рабочих и визуальных показателей.

Встречается и бронза, в составе которой нет олова. Такие варианты имеют новую структуру, отличающуюся от традиционной, однако по своим свойствам они практически равны классическому сплаву.

Технические свойства металла могут влиять на его характеристики.

Литейный материал формируется методом изготовления декоративных и стильных товаров (к примеру, нашей продукции). Он также широко распространен в производстве подшипников, деталей сложных механизмов, а также узлов для приборов, предназначенных для работы в морской воде.

Деформируемые материалы предназначены для формирования механическим методом. При этом металл режут, куют, покрывают рифлением. Как правило, этот вариант отличается гибкостью и относительной мягкостью – из него производят кабели, ленты, прутки и листовую продукцию.

Бронзовый пруток.