Бронзовый сплав

Что такое бронза: определение и отличие от других медных сплавов

Бронза — сплав на основе меди, в котором основным легирующим элементом может быть олово, алюминий, кремний, бериллий, свинец, марганец или другие металлы. К бронзам относят все медные сплавы, за исключением латуней (медь + цинк), мельхиора (медь + никель) и нейзильбера (медь + цинк + никель). Даже при наличии небольших добавок цинка или никеля сплав остаётся бронзой, если основным легирующим компонентом является другой элемент.

Маркировка бронзы в российской системе начинается с букв «Бр», за которыми следуют обозначения легирующих элементов и их процентное содержание. Остаток от суммы легирующих элементов до 100 % приходится на медь. Например, БрАЖ9-4 — деформируемая бронза с 9 % алюминия и 4 % железа; БрО5Ц5С5 — литейная бронза с 5 % олова, 5 % цинка и 5 % свинца.

Классификация бронзовых сплавов

По составу: оловянные и безоловянные бронзы

Оловянные бронзы — классический тип, в котором олово является основным легирующим элементом (от 2 до 14 % для промышленных марок). Помимо олова, в состав могут входить фосфор, цинк, свинец, никель. Увеличение содержания олова повышает твёрдость и прочность сплава, но при превышении 5–6 % снижает пластичность. Оловянные бронзы отличаются малой литейной усадкой (около 1 %, для сравнения — у стали до 2 %), что обеспечивает получение точных фасонных отливок.

Безоловянные бронзы — группа сплавов, в которых олово отсутствует или присутствует лишь как примесь. Основные виды: алюминиевые (5–11 % Al), бериллиевые (0,5–3 % Be), кремнистые (до 3–4 % Si), свинцовые (до 30 % Pb), марганцевые. По ряду характеристик безоловянные бронзы превосходят оловянные: алюминиевые — по коррозионной стойкости и механическим свойствам, бериллиевые — по прочности и упругости, кремнецинковые — по текучести в расплавленном состоянии.

По технологии обработки: деформируемые и литейные бронзы

Деформируемые бронзы предназначены для обработки давлением — прокатки, ковки, штамповки, волочения. Они содержат относительно небольшое количество легирующих элементов и обладают достаточной пластичностью. Из них выпускают прутки, листы, ленты, проволоку, трубы.

Литейные бронзы рассчитаны на получение фасонных отливок. Как правило, они содержат больше легирующих компонентов, имеют меньшую пластичность, но хорошие литейные свойства — малую усадку и удовлетворительную жидкотекучесть. Из них изготавливают втулки, вкладыши подшипников, арматуру, венцы червячных передач.

Принцип маркировки деформируемых и литейных бронз различается. В деформируемых марках цифры процентного содержания элементов указываются после всех буквенных обозначений через дефис (например, БрОФ6,5-0,4). В литейных — цифра ставится сразу после буквы каждого элемента (например, БрО5Ц5С5).

Стандарты на бронзовые сплавы (ГОСТ)

Химический состав и марки бронз регламентируются следующими стандартами:

Стандарт	Группа сплавов	Примеры марок
ГОСТ 5017-74	Оловянные, обрабатываемые давлением	БрОФ6,5-0,4; БрОЦ4-3; БрОЦС4-4-2,5
ГОСТ 613-79	Оловянные литейные	БрО5Ц5С5; БрО3Ц7С5Н1; БрО10Ф1
ГОСТ 18175-78	Безоловянные, обрабатываемые давлением	БрАЖ9-4; БрАМц9-2; БрБ2; БрКМц3-1
ГОСТ 493-79	Безоловянные литейные	БрА9Мц2Л; БрА10Ж3Мц2; БрС30

Физические свойства бронзы

Свойства бронзовых сплавов существенно зависят от марки и состояния поставки (литое, деформированное, термообработанное). Ниже приведены диапазоны, характерные для промышленных бронз:

Параметр	Диапазон значений	Примечание
Плотность	7500–8800 кг/м³	Зависит от типа и количества легирующих элементов
Температура плавления	930–1140 °C	Оловянные: 900–1000 °C; безоловянные: 950–1080 °C
Литейная усадка	~1 %	Существенно меньше, чем у стали (~2 %)
Предел прочности при растяжении	150–1400 МПа	Наибольшие значения — у бериллиевой бронзы после старения

Теплопроводность бронз значительно ниже, чем у чистой меди (390 Вт/(м·К)). Для оловянных бронз она составляет порядка 50–75 Вт/(м·К), для бериллиевых — около 100–110 Вт/(м·К), для алюминиевых — 50–80 Вт/(м·К). Электропроводность также уступает меди и зависит от марки и термообработки.

Основные группы бронз и их характеристики

Оловянная бронза

Оловянно-фосфористые марки (БрОФ6,5-0,4; БрОФ7-0,2 и др.) обладают высокими упругими свойствами и износостойкостью. Фосфор выполняет функцию раскислителя меди и повышает стойкость к истиранию, однако при превышении допустимого содержания снижает пластичность. Оловянно-цинковые и оловянно-цинково-свинцовые бронзы (БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5, БрОЦС4-4-4) хорошо деформируются и обрабатываются резанием. Свинец в составе повышает антифрикционные характеристики и обрабатываемость. Литейные оловянные бронзы (БрО5Ц5С5, БрО3Ц7С5Н1, БрО10Ф1) применяются для арматуры, работающей в агрессивных средах, втулок и вкладышей подшипников, венцов червячных колёс.

Алюминиевая бронза

Содержание алюминия в промышленных марках — от 5 до 11 %. Алюминиевые бронзы (БрА5, БрА7, БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрАМц9-2) отличаются высокой коррозионной стойкостью — в том числе в морской воде — и хорошими механическими свойствами. Добавки железа и никеля повышают прочность и износостойкость. Эти сплавы востребованы в химической промышленности, судостроении, нефтегазовом оборудовании для изготовления арматуры, втулок, фланцев, деталей насосов.

Бериллиевая бронза

Бериллиевые бронзы (БрБ2, БрБ2,5) содержат 1,6–3 % бериллия и обладают наибольшей прочностью среди всех медных сплавов — до 1400 МПа после закалки и старения. Они немагнитны и не дают искры при ударе, что определяет их применение для изготовления инструмента, предназначенного для работы во взрывоопасных средах. Бериллиевая бронза БрБ2 востребована в приборостроении, электронике, авиации — для пружин, мембран, контактных элементов и деталей шасси.

Кремнистая бронза

Кремнистые бронзы (БрКМц3-1, БрКН1-3) содержат до 3–4 % кремния с добавками марганца или никеля. Отличаются высокой упругостью, коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Не магнитны, не искрят при ударе. Применяются для пружин, токоведущих элементов, деталей химической аппаратуры.

Свинцовая бронза

Свинцовые бронзы (БрС30 и др.) содержат до 30 % свинца. Благодаря мягким включениям свинца обеспечивают низкий коэффициент трения и высокую теплопроводность по сравнению с другими бронзами. Основное назначение — антифрикционные детали: вкладыши подшипников скольжения, работающие при высоких нагрузках и скоростях.

Применение бронзовых сплавов в промышленности

Бронза сочетает высокую коррозионную стойкость с хорошими антифрикционными свойствами, что определяет её основные области применения:

Отрасль	Типичные изделия	Рекомендуемые группы бронз
Машиностроение	Втулки, вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных колёс, шестерни, гайки ходовых винтов	Оловянные (БрОЦС5-5-5, БрО10Ф1), алюминиевые (БрАЖ9-4)
Химическая промышленность	Запорная арматура, корпуса насосов, детали аппаратов	Алюминиевые (БрАЖН10-4-4), оловянные (БрО3Ц7С5Н1)
Судостроение	Гребные винты, арматура для морской воды, детали забортной арматуры	Алюминиевые (БрАЖН10-4-4, БрАМц9-2)
Приборостроение, электроника	Пружины, мембраны, контакты, токоведущие элементы	Бериллиевые (БрБ2), кремнистые (БрКМц3-1), оловянно-фосфористые
Нефтегазовая промышленность	Детали насосов, неискрящий инструмент, арматура	Бериллиевые (БрБ2), алюминиевые (БрАЖ9-4)
Электротехника	Контактные пластины, коллекторные кольца, проводники для сред с износом	Оловянно-фосфористые (БрОФ6,5-0,4), кремнистые

Формы поставки бронзового проката

Бронзовый прокат выпускается в следующих видах:

Вид проката	Описание
Пруток (круг)	Круглое, квадратное или шестигранное сечение; тянутый, прессованный или горячекатаный
Лист и полоса	Плоский прокат; холоднокатаный; в мягком, полутвёрдом или твёрдом состоянии
Лента	Тонкий полосовой прокат в рулонах; востребован для пружин и контактов
Проволока	Холоднотянутая; для пружин, токоведущих элементов, сварки и наплавки
Труба	Круглая; для теплообменников, арматуры, подшипниковых втулок
Чушка	Литейная заготовка для переплавки и изготовления фасонных отливок

Конкретный сортамент, допуски на размеры и механические свойства проката определяются профильными ГОСТами на каждый вид полуфабриката (например, ГОСТ 1628-78 на прутки из безоловянных бронз).

Выбор марки бронзы под конкретные условия эксплуатации

При выборе марки бронзы определяющими факторами являются: рабочая среда (атмосфера, морская вода, химические реагенты), характер нагрузок (статические, циклические, ударные), требования к антифрикционным свойствам и способ получения заготовки (литьё или деформация).

Для узлов трения при средних нагрузках и скоростях используют оловянно-свинцовые бронзы. Для тяжёлых условий — свинцовые (БрС30) или алюминиево-железо-никелевые (БрАЖН10-4-4). В средах с повышенной агрессивностью — алюминиевые бронзы. Там, где требуются высокая прочность, упругость и отсутствие искрообразования — бериллиевые. Для электротехнических применений, требующих сочетания прочности и проводимости, — хромистые (БрХ1) или кремнистые бронзы.