Алюминиевые бронзы. 
Литейные сплавы на основе тяжелых цветных металлов

Алюминиевые бронзы начали применять значительно позже оловянных — приблизительно с начала XX века. По своей распространенности среди медных сплавов алюминиевые бронзы занимают одно из ведущих мест. Они отличаются высокой прочностью и хорошими антифрикционными и коррозионными свойствами. Алюминиевые бронзы применяют для изготовления деталей, работающих в особо тяжелых условиях, из них изготавливают гребные винты крупных судов, тяжелонагруженные шестерни и зубчатые колеса, корпусы насосов, червяки, работающие в паре с деталями из азотируемых и цементируемых сталей, подшипники, работающие при высоких нагрузках. Благодаря комплексу свойств и меньшей стоимости, эти сплавы являются заменителями некоторых оловянных бронз.

Многие марки алюминиевых бронз используются как деформируемые, так и литейные. Если алюминиевая бронза используется как литейный сплав, то ставится в конце марки буква «Л». Например, БрА9Мц2Л, БрА9ЖЗЛ, БрА10Ж4Н4Л и г. д. В литейных сплавах допускается большее количество примесей. В прил. 1 приведены марки безоловянных бронз по национальным стандартам. В прил. 2 приведен химический состав отечественных безоловянных бронз.

Особенности структуры и многие свойства литейных алюминиевых бронз могут быть объяснены с помощью диаграммы состояния системы Си-Al (рис. 1.6).

Из диаграммы состояния Си-Al видно, что растворимость алюминия в меди в твердом состоянии меньше, чем олова. При эвтектической температуре 1037 °C она составляет 7,5% и при понижении температуры увеличивается до 9,4% при температуре 565 °C.

Рис. 1.6. Диаграмма состояния системы Си—А1.

При дальнейшем понижении температуры растворимость алюминия в меди практически не изменяется. Поэтому дисперсионное упрочнение в сплавах Си-Al невозможно. Фаза р — это твердый раствор на базе химического соединения Си₃А1 с широкой областью гомогенности. Она кристаллизуется непосредственно из жидкой фазы и при температуре 565 °C претерпевает эвтектоидный распад по реакции р -" а + ^гД^е Y2 — тоже твердый раствор на базе химического соединения Си₉А1₄ Появление этой фазы в структуре сплава приводит к повышению прочностных свойств. На рис. 1.7 представлена микроструктура литой алюминиевой бронзы.

Рис. 1.7. Микроструктура литой алюминиевой бронзы с 10% А1: светлые зерна — a-фаза; темные участки — эвтектоид (а+у).

Влияние содержания алюминия на механические свойства бронз показано на рис. 1.8. Максимум а" наблюдается при 10… 11% А1. Дальнейшее повышение содержания алюминия приводит к хрупкости сплава, при этом твердость сплава увеличивается. Пластичность сплава сохраняется на высоком уровне до содержания алюминия в нем в количестве 8…9%, затем резко падает из-за увеличения в структуре значительной доли Уг’фазы.

Рис. 1.8. Влияние содержания алюминия на механические свойства литых алюминиевых бронз.

Упрочнение сплава осуществляется по растворному механизму, а также в результате образования эвтектоида (а + у₂). При этом необходимо отмстить, что алюминий является более сильным упрочните — лем, чем олово. Однако алюминиевые бронзы имеют ряд недостатков по сравнению с оловянными, которые затрудняют получение из них герметичных отливок сложной конфигурации. Причиной этого является значительная усадка, сильное окисление в расплавленном состоянии и склонность к поглощению газов. В результате повышенной усадки (1,9…2,7%) эти бронзы склонны к трещинообразованию при затрудненной усадке, поэтому из алюминиевых бронз получают, как правило, простые по конфигурации отливки.

Для улучшения механических, технологических и эксплуатационных свойств алюминиевые бронзы легируют дополнительно железом, марганцем, никелем. Химический состав бронз и их назначение приведены в прил. 2. Поскольку алюминиевые бронзы кристаллизуются в узком интервале температур, кристаллизация сплава проходит направленно и последовательно с образованием столбчатой структуры, в результате чего падает пластичность. Для измельчения зерна в литейные алюминиевые бронзы вводится до 4…6% железа. При таком содержании железа образуется самостоятельная фаза y_Fe — твердый раствор на основе железа. При неравновесной кристаллизации высокотемпературная фаза Yfc выделяется первой и кристаллы этой фазы измельчают зерно литой структуры. Это способствует повышению пластичности сплавов. Кроме того, железо частично растворяется в a-твердом растворе алюминия в меди и способствует упрочнению сплава.

Очень важная роль железа состоит в замедлении эвтектоидного распада (3-фазы с образованием у₂-фазы. Это обстоятельство играет важную роль при получении крупногабаритных отливок при литье в песчаные формы. В этих сплавах при замедленном охлаждении крупных отливок происходит эвтектоидный распад p-фазы (Р -" а+у₂) с выделением крупных пластин у₂-фазы (происходит самоотпуск), которые вызывают охрупчивание сплава. Железо устраняет этот недостаток двойных алюминиевых бронз.

В сплавах Си—А1 принципиальное значение имеет легирующая добавка никеля, который при неравновесной кристаллизации образует соединения Ni, Al и NiAl с переменной растворимостью в твердом состоянии. В результате алюминиевая бронза с добавкой никеля становится способной к дисперсионному твердению. Обычно в алюминиевые бронзы совместно с никелем вводят железо в соотношении 1:1. Так, в сплаве БрА10Ж4Н4Л после закалки от 980 °C и старения при 400 °C в течение 2 ч твердость сплава Н В повышается с 170 до 400, а о" достигает 700 МПа. При этом бронза сохраняет эти свойства при 400—500 °С. Для повышения коррозионной стойкости, а также улучшения прочности и пластичности в алюминиевые бронзы вводят марганец. Марганец неограниченно растворим в меди в твердом состоянии, поэтому в отличие от железа не измельчает зерно в отливках. Его упрочняющая роль сводится к легированию твердого раствора. Структура сплава БрА9Мц2Л состоит из a-твердого раствора алюминия и марганца в меди и эвтектоида (а+у₂) — Марганец сужает область a-твердого раствора и тем самым увеличивает количество эвтектоида. Кроме коррозионной стойкости, марганец повышает жаропрочность — отливки могут работать при температуре до 250 °C.

Из-за малого интервала кристаллизации (13…46 °С) сплавы системы Си—А1 имеют высокую жидкотекучесть. По данным А. Б. Альтмана, для большинства сплавов она составляет от 500 до 850 мм. Сплавы системы Си—А1 имеют меньшую склонность к дендритной ликвации. Линейная усадка этих сплавов по сравнению с оловянными бронзами выше и достигает 2…2,2%. Алюминиевые бронзы имеют хорошую коррозионную стойкость, жаропрочность и прогивокавитационную стойкость. К недостаткам этих сплавов помимо высокой усадки следует отнести склонность к образованию крупностолбчатой структуры. Для измельчения зерна, кроме добавок железа, используются также добавки бора (0,02%), ниобия и ванадия (0,05%). Высокое содержание алюминия вызывает склонность к загрязнению оксидными пленами. Необходимо правильно конструировать литниковую систему.

Узкий интервал кристаллизации приводит к образованию концентрированной усадочной раковины, что вызывает необходимость установки прибыли и соблюдения принципа направленного затвердевания. Технологические, механические и физические свойства безоловянных бронз приведены в прил. 3.

Алюминиевые бронзы чаще всего плавят в индукционных печах. Плавку проводят в окислительной атмосфере под слоем флюса, избегая перегрева выше 1200 °C.

Алюминиевые литейные бронзы выплавляют из чистых металлов, атакже из чушек бронз (ГОСТ 614—97). Вкачестве первичных шихтовых материалов используют алюминий, никель, марганец, катодную медь марок МО; Ml. М2 в зависимости от требований по содержанию вредных примесей (Sb, As, Pb, Sn и др.). Железо вводят в виде обрезков мягкой стали или проволоки. Применяются также различные лигатуры: Cu-Mn, Cu-Fe, Си-Al и др. В состав шихты вводят возвраты собственного производства в количестве от 25 до 75%. При плавке алюминиевой бронзы, содержащей железо, марганец и никель, вначале расплавляют медь, проводят раскисление фосфористой медью, а затем вводят алюминий или лигатуру медь-алюминий.

Алюминий необходимо вводить перед вводом марганца или железа, в противном случае образуются плены, которые приводят к браку отливок. Сплав перегревают до 1150… 1200 °C и рафинируют хлористым марганцем или криолитом (Na₃AlF₆).

Таким образом, повышенная склонность алюминиевых бронз к окислению при высоких температурах и к образованию оксидных плен, загрязняющих расплав, а также поглощение жидким металлом водорода составляют основные трудности при плавке этих сплавов.

Если в обычных условиях плавки удаление примесей из расплава заключается в переводе этих примесей в оксиды с последующим переводом их в шлак, то в случае алюминиевых бронз этот механизм практически не работает из-за большой активности алюминия к кислороду. Особенно вредна примесь цинка, который при высоких температурах начинает кипеть и загрязнять сплав хлопьевидными включениями.

Известно применение внепечного рафинирования алюминиевых бронз жидкими флюсами. Жидкий флюс заливают в подогретый ковш и затем заливают готовый расплав из печи, происходит хорошее перемешивание расплава и флюса и эффективное рафинирование расплава от неметаллических включений.

Температуру перегрева алюминиевых бронз назначают исходя из толщины стенок отливки, сложности по конфигурации, массы отливки и т. д. Температура литья соответствует среднему перегреву над температурой ликвидус 100… 140 °C и составляет 1100…1200 °С.

Выпуск металла из печи в ковш проводится спокойной струей с минимальной высоты падения металла, чтобы избежать окисления расплава.

В связи с тем, что алюминиевые бронзы склонны к загрязнению оксидными пленами, рекомендуются плавный подвод металла в форму, а также применение щелевидных питателей, фильтровальных сеток в литниковой системе, змеевидных стояков, расширяющихся литниковых систем.