Кремнистые бронзы

   Кремнистая бронза — безоловянный сплав на основе меди, в котором главным легирующим элементом выступает кремний (Si). Содержание кремния в промышленных марках составляет от 0,6 до 3,5 %. Дополнительно в сплав вводят марганец или никель, что определяет две основные разновидности: кремнисто-марганцевую (БрКМц3-1) и кремнисто-никелевую (БрКН1-3). Оба сплава регламентированы ГОСТ 18175-78. Кремнистые бронзы сочетают высокую прочность, коррозионную стойкость и упругие свойства, что делает их востребованными в судостроении, химическом машиностроении и электротехнике.

Химический состав кремнистых бронз

Химический состав определяет весь комплекс эксплуатационных свойств сплава. Ниже приведены данные по ГОСТ 18175-78 для двух стандартных марок.

Состав БрКМц3-1 (кремнисто-марганцевая бронза)

Кремний (2,7–3,5 %) образует с медью твёрдый раствор, повышая прочность и упругость. Предельная растворимость Si в меди при комнатной температуре составляет около 3,5 %, поэтому содержание кремния в деформируемых бронзах не превышает этого значения — при более высокой концентрации появляется хрупкая γ-фаза, резко снижающая пластичность и технологичность. Марганец (1,0–1,5 %) улучшает коррозионную стойкость и технологические свойства при обработке давлением.

Состав БрКН1-3 (кремнисто-никелевая бронза)

В отличие от БрКМц3-1, здесь главным дополнительным легирующим элементом служит никель (2,4–3,4 %), а содержание кремния снижено до 0,6–1,1 %. Никель с кремнием образуют интерметаллид Ni₂Si, который при термической обработке (закалка с 850 °C + старение при 450 °C) выделяется из твёрдого раствора и существенно повышает прочность и твёрдость сплава. Именно этот механизм дисперсионного твердения делает БрКН1-3 пригодной для деталей ответственного назначения — направляющих втулок, антифрикционных элементов в моторостроении.

Механические свойства кремнистой бронзы

Механические характеристики существенно зависят от состояния поставки (мягкое, полутвёрдое, твёрдое) и вида полуфабриката.

Механические свойства БрКМц3-1

Механические свойства БрКН1-3

Кремнисто-марганцевая бронза БрКМц3-1 в мягком состоянии сохраняет высокую пластичность (δ₅ до 35 %), что позволяет навивать из неё пружины даже при диаметре заготовки до 15 мм без предварительного нагрева. В твёрдом состоянии предел прочности проволоки достигает 880 МПа — это сопоставимо с прочностью ряда конструкционных сталей.

Физические свойства кремнисто-марганцевой и кремнисто-никелевой бронзы

Обратите внимание: БрКН1-3 отличается более высоким модулем упругости (1,40 против 1,15 ×10⁵ МПа) и значительно меньшим удельным электросопротивлением (83 против 150 ×10^-9 Ом·м), что обеспечивает лучшую электропроводность. Это важно для применений, где требуется сочетание механической прочности и проводимости тока.

Коррозионная стойкость и эксплуатационные особенности

Кремнистые бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью в широком диапазоне агрессивных сред. Они устойчивы в пресной и морской воде, растворах большинства кислот (за исключением азотной кислоты и кислых хроматов), щелочей, солей и органических соединений. Особенно хорошо кремнистая бронза проявляет себя в среде сухих газов и щелочных растворов, что подтверждается практикой длительной эксплуатации деталей из этих сплавов в химической промышленности.

Помимо коррозионной стойкости, кремнистые бронзы обладают рядом эксплуатационных особенностей, определяющих их выбор для специфических условий работы:

• Немагнитность — сплавы не намагничиваются, что позволяет использовать их в приборах и устройствах, чувствительных к магнитным полям.
• Отсутствие искрообразования при ударе — это свойство определяет применение кремнистых бронз в пожаро- и взрывоопасных зонах (инструмент, крепёж, арматура).
• Сохранение пластичности при отрицательных температурах — сплавы не склонны к хладноломкости, пригодны для эксплуатации в арктических условиях.
• Хорошие антифрикционные свойства — низкий коэффициент трения (0,013 со смазкой для БрКМц3-1) позволяет применять их для подшипников скольжения и направляющих втулок.

Следует учитывать, что кремнистые бронзы не пригодны для эксплуатации в контакте с сульфидами, азотной кислотой, окислительными солями (например, хлорид железа FeCl₃).

Влияние легирующих элементов на свойства кремнистой бронзы

Роль кремния

Кремний — основной упрочняющий элемент. При его введении до 3,5 % он полностью растворяется в медной матрице, образуя однофазный α-твёрдый раствор. Это повышает предел прочности и модуль упругости, сохраняя при этом высокую пластичность и технологичность. Превышение содержания кремния сверх 3,5 % ведёт к появлению γ-фазы (силицид Cu₅Si), которая резко снижает пластичность и делает сплав непригодным для обработки давлением.

Роль марганца

Марганец в составе БрКМц3-1 (1,0–1,5 %) дополнительно повышает прочность твёрдого раствора и улучшает коррозионную стойкость. Он также способствует раскислению расплава при плавке и улучшает жидкотекучесть, что положительно сказывается на качестве полуфабрикатов.

Роль никеля в сплаве БрКН1-3

Никель (2,4–3,4 %) совместно с кремнием образует интерметаллидное соединение Ni₂Si. Растворимость этого соединения в меди резко уменьшается с понижением температуры. Именно это явление лежит в основе термического упрочнения: после закалки с 850 °C и последующего старения при 450 °C (выдержка около 1 часа) из пересыщенного твёрдого раствора выделяются мелкодисперсные частицы Ni₂Si, создающие значительное препятствие для движения дислокаций. В результате прочность и твёрдость сплава существенно возрастают при сохранении удовлетворительной пластичности.

Технологические свойства: обработка, пайка, сварка

Кремнистые бронзы отличаются высокой технологичностью. Они хорошо обрабатываются давлением как в горячем (750–910 °C в зависимости от марки), так и в холодном состоянии. Температура отжига для БрКМц3-1 составляет 700–750 °C.

Сплавы легко паяются мягкими (оловянно-свинцовыми) и твёрдыми (серебряными, медно-фосфорными) припоями. Они хорошо свариваются с медью, бронзой и сталью — как ручной сваркой в защитных газах, так и автоматической сваркой под флюсом. Проволока из БрКМц3-1 применяется в качестве присадочного материала при сварке нежёстких медных конструкций.

Сравнительно низкая теплопроводность кремнистых бронз (46 Вт/(м·°C) для БрКМц3-1 — в несколько раз ниже, чем у чистой меди) облегчает процесс сварки, так как тепло сварочной ванны не рассеивается столь интенсивно, как при сварке меди.

Области применения кремнистых бронз

Пружины и пружинящие элементы

Высокий предел упругости, хорошая релаксационная стойкость и способность сохранять упругие свойства при повышенных температурах и длительных циклах нагружения делают кремнистую бронзу одним из основных материалов для пружин ответственного назначения. Для их производства используют холоднокатаные ленты и полосы из БрКМц3-1. Даже в твёрдом состоянии при диаметре заготовки до 15 мм из этого сплава можно навивать пружины без нагрева.

Судостроение и морское оборудование

Коррозионная стойкость в морской воде, немагнитность и отсутствие искрообразования определяют широкое применение кремнистых бронз в судостроении. Из них изготавливают арматуру, крепёж (болты, гайки, винты), решётки, испарители, детали насосов. Антибиообрастающие свойства медных сплавов дополнительно повышают срок службы в морских условиях.

Химическое машиностроение

Стойкость к щелочным средам, большинству кислот и органических соединений позволяет использовать кремнистую бронзу для деталей химических аппаратов — корпусов клапанов, втулок, штоков насосов, трубопроводной арматуры.

Моторостроение и антифрикционные детали

БрКН1-3 благодаря высоким антифрикционным свойствам (коэффициент трения со смазкой — 0,017) и повышенной износостойкости после термической обработки применяется для направляющих втулок, деталей подшипниковых узлов и других ответственных элементов в моторостроении. Советские технические справочники рекомендовали эту бронзу в качестве замены оловянно-фосфористых бронз марок БрОФ.

Электротехника и приборостроение

Немагнитность и хорошая электропроводность (особенно у БрКН1-3 с удельным сопротивлением 83 нОм·м) позволяют применять кремнистые бронзы для контактных элементов электрических аппаратов, токоведущих пружин и деталей приборов, работающих в условиях магнитных полей.

Формы поставки кремнистой бронзы

Кремнистую бронзу марок БрКМц3-1 и БрКН1-3 поставляют в виде следующих полуфабрикатов:

• Прутки бронзовые — круглого, квадратного и шестигранного сечения. Изготавливают тянутыми, прессованными и горячекатаными. Круглые прессованные прутки выпускают диаметром от 30 до 120 мм.
• Проволока — применяется как для производства пружин, так и в качестве сварочного присадочного материала.
• Ленты и полосы — используются для штамповки пружинящих деталей, контактных элементов. Поставляются в мягком, полутвёрдом и твёрдом состоянии.
• Листы — для изготовления обечаек, днищ, элементов химического оборудования.
• Фольга — для специальных применений в электронике и приборостроении.

Сравнение кремнистой бронзы с другими видами бронз

Для обоснованного выбора материала полезно знать, чем кремнистая бронза отличается от других распространённых типов бронзовых сплавов.

Кремнистые бронзы занимают промежуточное положение между оловянными (более дешёвые, но уступающие по прочности и свариваемости) и бериллиевыми (значительно прочнее, но существенно дороже). При необходимости сварки конструкций кремнистая бронза — один из лучших выборов среди медных сплавов.

Зарубежные аналоги кремнистых бронз

При работе с зарубежными поставщиками или при подборе замены полезно знать международные обозначения кремнистых бронз.

Наиболее распространённым зарубежным аналогом БрКМц3-1 является сплав C65500 (High Silicon Bronze A), широко используемый в США и Европе для крепежа, морского оборудования, сварных конструкций и химического машиностроения.

Рекомендации по выбору марки кремнистой бронзы

Выбор между БрКМц3-1 и БрКН1-3 определяется условиями эксплуатации и требованиями к детали:

• БрКМц3-1 — основной выбор для пружин, пружинящих деталей, сварных конструкций, элементов химического оборудования и судовой арматуры. Сплав более доступен по цене, производится в широком ассортименте полуфабрикатов.
• БрКН1-3 — применяют там, где требуются повышенные антифрикционные свойства и износостойкость (направляющие втулки, подшипники скольжения в моторостроении). Термическая обработка (закалка + старение) позволяет дополнительно повысить прочность. Сплав дороже за счёт содержания никеля и производится в меньших объёмах.

Для обоих сплавов следует учитывать ограничения по химической стойкости — они не рекомендуются для работы с азотной кислотой, хлоридом железа и другими сильными окислителями.