Хромовая бронза

Хромовые бронзы — медно-хромовые или более сложные по химическому составу медные сплавы, в которых упрочнение после закалки и старения происходит в результате выделения из твердого раствора дисперсных частиц хрома или хромосодержащих соединений. Бронзы относятся к жаропрочным медным сплавам высокой электро- и теплопроводности.

Среди легирующих элементов, которые используют при создании жаропрочных медных сплавов высокой тепло- и электропроводности, хрому отводится особая роль благодаря его влиянию на физические и механические свойства меди. Хром значительно упрочняет медь, повышает уровень ее жаропрочности и значительно повышает температуру рекристаллизации меди.

Хромовые бронзы относятся к дисперсионно твердеющим сплавам и имеют хорошее сочетание физических, механических и эксплуатационных свойств после термической или термомеханической обработки (ТМО). Термическая обработка включает закалку, фиксирующую пересыщенный твердый раствор, и старение, в результате которого происходит распад с выделением дисперсных частиц фазы-упрочнителя. ТМО включает холодную пластическую деформацию (между закалкой и старением), которая активно влияет на формирование структуры при старении, изменяя кинетику распада твердого раствора. Уровень прочностных свойств у сплавов, прошедших ТМО, выше, чем у сплавов, подвергнутых старению без предварительной деформации. Однако применение ТМО к изделиям из хромовых бронз, эксплуатируемых при температурах выше температур рекристаллизации, неэффективно.

Кроме упрочняющей термической обработки хромовые бронзы зачастую подвергаются промежуточному отжигу с целью повышения пластичности между операциями холодной деформации. Отжигу подвергают также готовую металлопродукцию перед последующим изготовлением из нее изделий различными способами пластической деформации (штамповка, ковка, отбортовка и др.).

Свойства двойных хромовых бронз определяются особенностями физико-химического взаимодействия между компонентами в систе­ме Cu—Cr. Наибольший практический интерес имеет часть диаграммы состояния Cu—Cr, показанная на рис. 1. 4.15.

Рис. 1. Диаграмма состояния Cu-Cr

 В системе Cu—Cr твердом состоянии суще­ствуют две фазы: α-твердый раствор хрома в меди и твердый раствор на основе хрома. Однако вследствие малой растворимости меди в хроме в твердом состоянии, второй твердой фазой является практически чистый хром.

Двойные хромовые бронзы БрХ1 и БрХ0,8 мало отличаются по химическому составу (табл. 1.)  и имеют близкие значения физических и механических свойств.

Табл. 1. Химический состав хромовых бронз (массовая доля, %)
МаркаСгZrTiCuДругие элементыПримеси, не более
БрХГ1)0,4…1,0ост.0,08Fe; 0,3Zn; сумма — 0,2
БрХ0,82)0,4…0,7ост.0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si; 0,015Zn; сумма — 0,2
БрХНТ2)0,2…0,40,03…0,08ост.0,5…0,8 Ni0,01P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si; 0,015Zn; сумма — 0,2
БрХЦрТ2)0,25…0,450,03…0,070,04…0,08ост.0,001 Mg0,015Fe; 0,003Pb; 0,01 Si; 0,001Zn; сумма — 0,2
БрХ1Цр2)0,4…1,00,03…0,08ост.0,03 Ni0,002Bi; 0,003Pb; 0,01 Zn; 0,01 Sn; 0,01As; сумма — 0,2
БрХВЦр210,35…0,70,15…0,30ост.0,15..,0,4 V0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,02Si; 0,01Zn; сумма — 0,2
БрХНб2)0,3…0,5ост.0,1.„0,4 Nb0,01 P; 0,06Fe; 0,005Pb; 0,05Si;0,015Zn; сумма-0,2
БрХЦрК2)0,15…0,250,15…0,25ост.0,03…0,10 Ca0,02Fe; 0,005Pb; 0,002Sb; 0,005Zn; 0,005P; сумма — 0,2
1) химический состав приведен по ГОСТ 18175—78;
2) нормативно-техническим документом на химический состав являются ТУ. Примечание: примеси, не указанные в таблице, учитываются в общей сумме примесей.

Минимальные значения временного сопротивления σb хромовая бронза имеет в отожженном состоянии, максимальные — в закаленном (рис. 2).

Рис. 1. Зависимость механических свойства бронзы БрХ (0,79% Cr) от температуры испытания после термической обработки по режимам: 1 — отжиг при 700°С , 2 ч; 2 — закалка с 1000°С в воде; 3 — нормализация (охлаждение на воздухе) с 1000°С

Наибольшие различия в прочностных свойствах хромовых бронз между закаленным и нормализованным со­стояниями наблюдаются с температуры 400°С, когда начинается распад пересыщенного хромом твердого раствора. Прочностные свойства хромовой бронзы в нормализованном и закаленном состоянии становятся практически одинаковыми при 800°С. Двойные хромовые бронзы имеют область пониженной пластичности в температурном интервале 400…650°С.

Сведения о физических, механических и технологических свойствах двойных хромовых бронз БрХ1 и БрХ0,8 даны в табл. 2-3.

Табл. 2. Физические, механические и технологические свойства бронзы БрХ1
Физические свойства
Температура плавления,°С:  
ликвидус 1081
солидус 1076
Плотность γ, кг/м3 8920
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-1 17
Удельная теплоескость cp Дж/(кг*К) 388
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м  
после закалки 0,0383
после старения 0,021
Удельная теплопроводность при 20°С, λ, Вт/(м*К):  
после закалки 167
после старения 315
Температурный коэффициент электического сопротивления α‘, К-1:  
после закалки 0,002
после старения 0,003
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа 131
Модуль упругости при сдвиге (модуль сдвига) G, ГПа 42
Механические свойства
Временное сопротивление σb, МПа:  
после закалки 240
после закалки и старения 410
после закалки, деформации и старения 520
Предел текучести σ0,2, МПа:  
после закалки 65
после закалки и старения 270
после закалки, деформации и старения 440
Относительное удлинение δ,%  
после закалки 50
после закалки и старения 22
после закалки, деформации и старения 10
Твердость по Виккерсу HV:  
после закалки 65
после закалки и старения 130
после закалки, деформации и старения 150
Предел усталости при (3*108 циклов для бронзы с σb=545 Мпа), σ-1, МПа 197
Технологические свойства
Температура литья, °С 1250… 1350
Температура горячей деформации, °С: 750…950
Температура термической обработки, °С:  
отжига 650…700
закалки 980… 1000
старения 400…500
Суммарная степень деформации перед старением, % 50
Обрабатываемость резанием относительно свинцовой латуни ЛIC63-3, % 20
Табл. 3. Характеристика жаропрочности прутков из хромовой бронзы БрХ0,8
Температура, °СПредел длительной прочности, МПаПредел ползучести, МПа
σ100σ500σ1000σ0,2/100σ0,5/100σ0,1/500σ0,2/500σ0,5/500σ0,1/1000σ0,2/1000σ0,5/1000
200280250240220250160200220140170200
300180120140

Среди медных сплавов с высокой электро- и теплопроводностью наибольшее применение в промышленности нашли многокомпонентные хромовые бронзы, легированные цирконием (см. табл. 1).

Хромоциркониевая бронза БрХЦр по механическим свойствам, температуре разупрочнения при нагреве, жаропрочности превосходит двойную хромовую бронзу БрХ1. При этом электро- и теплопроводность двойного и тройного сплавов практически одинаковы. Введение в двойные сплавы Cu-Cr малой добавки цирко­ния приводит не только к повышению прочностных свойств, но и к значительному улучшению пластичности при повышенных температурах: бронза БрХЦр в отли­чие от двойных сплавов БрХ1 и БрХ0,8 не имеет провала пластичности в интервале температур 400…650°С.

Физические, механические и технологические свойства хромоциркониевой бронзы БрХЦр при комнатной и высоких тем­пературах приведены в табл. 4-6.

Табл. 4. Физические, механические и технологические свойства бронзы БрХЦр
Физические свойства
       Температура плавления, °С: 
ликвидус1080
солидус1074
Плотность γ, кг/м38920
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-116,8
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м 
после закалки0,0376
после старения0,0204
Удельная теплопроводность λ, Вт/(м*К): 
после закалки
после старения366
Температурный коэффициент электрического сопротивления α’, К-10,003
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа130
Механические свойства
Временное сопротивление σb, МПа: 
после закалки250
после закалки и старения480
после закалки, деформации и старения540
Предел текучести σ0,2, МПа: 
после закалки75
после закалки и старения420
после закалки, деформации и старения500
Относительное удлинение δ,% 
после закалки44
после закалки и старения24
после закалки, деформации и старения12
Твердость по Виккерсу HV: 
после закалки68
после закалки и старения120
после закалки, деформации и старения148
Технологические свойства
Температура литья, °С1250…1300
Температура горячей деформации, °С700…930
Температура термической обработки, °С: 
закалки980…1000
старения400…500
отжига650…700
Суммарная степень холодной деформации перед старением, %О
Обрабатываемость резанием, % относительно свинцовой латуни ЛC63-320
Табл. 5. Физические свойства хромовых бронз при высоких температурах
СвойстваТемпература, °С
20300400500600700
Сплав БрХЦр
Плотность γ, кг/м38920
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м0,02050,0380,04410,05240,06030,0668
Удельная электрическая прводимость , МСм/м492623191614
Теплопроводность λ, Вт/(м*К)366380382367361350
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-117,517,918,318,619
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа1301181091009388
Сплав БрХВЦр
Плотность γ, кг/м3883087708730870086508580
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м0,020,03780,04490,05256,080,0695
Удельная электрическая прводимость , МСм/м502625221615
Теплопроводность λ, Вт/(м*К)368382369361357350
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-116,617,517,918,418,719,1
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа1321171081029186
Сплав БрХНб
Плотность γ, кг/м38900
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м0,01850,03790,04370,05170,0590,0679
Удельная электрическая прводимость , МСм/м542723191715,5
Теплопроводность λ, Вт/(м*К)380384390372365357
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-117,117,317,718,318,8
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа1351221131059790
Табл. 6. Механические свойства хромовых бронз при высоких температурах
СвойстваТемпература, °С
20300400500600700
БрХЦр
Временное сопротивление σb, МПа500390350300250100
Предел текучести σ0,2, МПа45037034029024090
Относительное удлинение δ,%242018181829
Относительное сужение  ψ,%848182828195
Ударная вязкость KCU, МДж/м22,12,11,81,61,2
Твердость по Виккерсу HV148122106807038
Длительная (1 ч) твердость HV86603319
БрХВЦр
Временное сопротивление σb, МПа550450410350220120
Предел текучести σ0,2, МПа510430400340210110
Относительное удлинение δ,%191712121630
Относительное сужение  ψ,%585557586889
Ударная вязкость KCU, МДж/м21,81,71,71,61,61,5
Твердость по Виккерсу HV1601201101027933
Длительная (1 ч) твердость HV88713515

Многокомпонентная бронза БрХЦрК отличается от БрХЦр значительно меньшим содержанием хрома (см. табл. 1). Небольшая добавка кальция (0,03…0,10%) вводится для раскисления расплава, улучшения усвоения циркония и повышения технологических свойств (стойкость к двойным перегибам). Из этого сплава изготавливают токопроводящие монтажные провода, предназначенные для работы при длительном воздействии повышенных температур (ок. 150°С) и кратковременно до 250°С. Бронза отличается высокой технологической пластичностью, что позволяет выпускать микро­проволоку.

Свойства бронзы БрХЦрК и режимы обработки приведены в табл. 7.

Табл. 7. Физические, механические и технологические свойства бронзы БрХЦрК
Физические свойства
Температура плавления, °С: 
ликвидус1075
солидус1065
Плотность γ, кг/м38925
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-116,7
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м: 
после закалки0,0346
после старения0,0195
Теплопроводность λ, Вт/(м*К): 
после закалки
после старения368
Температурный коэффициент электического сопротивления, α-1, К-10,0025
Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа131
Механические свойства
Временное сопротивление σb, МПа: 
после закалки250
после закалки и старения380
после закалки, деформации и старения550
Предел текучести σ0,2, МПа:70
после закалки
после закалки и старения350
после закалки, деформации и старения500
Относительное удлинение δ,%: 
после закалки44
после закалки и старения20
после закалки, деформации и старения2
Технологические свойства 
Температура литья, °С1250…1300
Температура горячей деформации, °С700…930
Температура термической обработки, °С: 
закалки900…960
старения400…600
Суммарная степень холодной деформации перед старением0…95
Обрабатываемость резанием относительно свинцовой латуни ЛC63-3, %20

В качестве легирующих элементов в хромовые бронзы вводят также тугоплавкие металлы переходной группы — ванадий и ниобий, имеющие температуры плавления 1910°С и 2469°С со­ответственно.

Главное достоинство бронзы БрХНб — высокая электро- и теплопроводность в широком диапазоне температур (см. табл. 5); по прочностным свойствам сплав уступает двойной хромовой бронзе БрХ1. Из бронзы БрХНб изготавливают проволоку для токоведущих проводников электрического тока.

Хромоциркониевая бронза БрХВЦр с добавкой ванадия (см. табл. 1) относится к дисперсионно твердеющим материалам. Бронза имеет высокую тепло- и электропроводность, отлича­ется высокой пластичностью и вязкостью в широком диапазоне температур. Основные физические и механические свойства бронзы БрХВЦр при комнатной и высоких температурах представлены в табл. 6-8.

Таблица 8. Физические, механические и технологические свойства бронзы БрХВЦр
Физические свойства
Плотность γ, кг/м38830
Температурный коэффициент линейного расширения α*106, К-116,8
Удельное электросопротивление ρ*106, Ом*м:0,02
Удельная теплоескость cp Дж/(кг*К)394
Теплопроводность λ, Вт/(м*К)368
Температурный коэффициент электрического сопротивления α’, К-10,003
Удельная электрическая проводимость σ, в % от меди86
Механические свойства
Временное сопротивление σb, МПа550
Предел текучести σ0,2, МПа510
Относительное удлинение δ,%:19
Относительное сужение  ψ,%58
Ударная вязкость KCU, МДж/м21,8
Твердость по Виккерсу HV160
Модeль нормальной упругости (модуль Юнга) Е, ГПа130
Технологические свойства
Температура литья, °С1300…1350
Температура горячей деформации, °С700…930
Температура термической обработки, °С:930…950
закалки450…475
старения700…750
отжига 
Суммарная степень холодной деформации перед старением, %40…70
Примечание. Физические и механические свойства определены после обработки бронзы по режиму: закалка с 940 °С в воду, холодная деформация (50%) и старение (460 °С, 4 ч).

Основные виды продукции и изделий из хромовых бронз приведены в табл. 9.

Табл. 4.37. Основные виды продукции и изделий из хромовых бронз
Продукция и изделияМарка бронзы
БрХ1БрХ0,8БрХНТБрХЦрТБрХЦрБрХВЦрБрХНбБрХЦрК
ЛентаX       
Листы холодно- и горячекатаныеXXXXX   
Полосы и профилиXX  X   
ПлитыXX XX   
Тонкая проволока (диаметр < 1 мм)      XX
Проволока круглого (диаметр > 1 мм) и прямоугольного сеченияX    XXX
Прутки тянутые и прессованныеXXXXXXX 
ТрубыXXXX    
ПоковкиXX XX   
Электроды для сваркиX   XX  
Губки для роликовых сварочных машинX   X   
Кристаллизаторы и теплообменникиXXXX    
Токоподводящие контактыX      X
Электрические провода и кабели      XX
Коллекторные пластиныX   X   
Условное обозначение: «X» — имеется опыт изготовления и применения
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Черная и цветная металлургия
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: