Сплав БрАЖН10-4-4л

Бронза БрАЖН10-4-4л (БрА10Ж4Н4Л) — безоловянная литейная бронза системы Cu–Al–Fe–Ni. Сплав разработан для ответственных отливок, эксплуатируемых в условиях повышенных температур, абразивного износа и коррозионно-активных сред. Основными легирующими элементами являются алюминий (9,5–11 %), железо (3,5–5,5 %) и никель (3,5–5,5 %), которые в совокупности обеспечивают высокую прочность, твёрдость и антифрикционные свойства литых заготовок.

Сплав относится к группе никель-алюминиевых бронз — наиболее прочных и термостойких среди стандартных медных литейных сплавов. По уровню механических свойств БрАЖН10-4-4л превосходит простые алюминиево-железистые бронзы типа БрАЖ9-4л за счёт дополнительного легирования никелем.

Обозначения и расшифровка марки БрАЖН10-4-4л

Наименование сплава расшифровывается следующим образом: «Бр» — бронза, «А10» — алюминий ~10 %, «Ж4» — железо ~4 %, «Н4» — никель ~4 %, «л» — литейная. Буква «л» в конце маркировки указывает на то, что сплав предназначен для изготовления фасонных отливок, а не для обработки давлением.

В технической документации и на производстве встречаются следующие варианты обозначений:

Не следует путать литейную марку БрАЖН10-4-4л с деформируемой бронзой БрАЖН10-4-4, которая регламентируется ГОСТ 18175 и поставляется в виде проката — прутков, труб, полос.

Нормативная документация на бронзу БрА10Ж4Н4Л

Химический состав, допустимые примеси и гарантированные механические свойства сплава определяются следующими стандартами:

ГОСТ 493-79 является основным документом, регламентирующим марочный состав и гарантированные механические свойства для литых заготовок. Стандарт распространяется на безоловянные литейные бронзы, предназначенные для изготовления отливок. Химический состав определяется по ГОСТ 15027.0-77 — ГОСТ 15027.14-77, механические испытания проводятся по ГОСТ 1497, твёрдость — по ГОСТ 9012.

Химический состав бронзы БрАЖН10-4-4л по ГОСТ 493-79

Марочный состав сплава БрА10Ж4Н4Л по ГОСТ 493-79 приведён в таблице ниже. Медь (Cu) является основой сплава — её содержание определяется как остаток от 100 % после суммирования всех остальных компонентов и примесей.

Суммарное содержание всех примесей — не более 1,50 %. Примеси, не регламентированные стандартом, входят в общую сумму.

Влияние легирующих элементов на свойства сплава

Алюминий (9,5–11,0 %). Ключевой легирующий элемент, обеспечивающий упрочнение медной матрицы за счёт формирования интерметаллидных фаз. При содержании свыше 9,4 % структура сплава становится двухфазной (α + β), что повышает прочность и твёрдость, но снижает пластичность по сравнению с однофазными алюминиевыми бронзами. Алюминий также формирует плотную оксидную плёнку Al₂O₃ на поверхности, придающую сплаву повышенную коррозионную стойкость.

Железо (3,5–5,5 %). Измельчает зерно при кристаллизации, повышает износостойкость и подавляет рост β-фазы, предотвращая охрупчивание. Железо образует дисперсные частицы фазы κ (каппа), которые выполняют роль дополнительных центров кристаллизации и упрочняющих включений.

Никель (3,5–5,5 %). Стабилизирует α-фазу, сдвигая границу двухфазной области в сторону более высокого содержания алюминия. Благодаря этому сплав сохраняет приемлемую пластичность при повышенном уровне прочности. Никель также улучшает коррозионную стойкость в морской воде и повышает жаропрочность.

Механические свойства литейной бронзы БрА10Ж4Н4Л

Механические характеристики сплава по ГОСТ 493-79 для отливок без термической обработки при температуре 20 °С приведены ниже. Указаны гарантированные минимальные значения.

Обозначения: σ_в — предел кратковременной прочности (временное сопротивление разрыву); δ₅ — относительное удлинение после разрыва; HB — твёрдость по Бринеллю (HB 10-1).

Пояснения к механическим характеристикам

Временное сопротивление ≥ 587 МПа — одно из самых высоких среди стандартных литейных медных сплавов. Для сравнения: простая алюминиево-железистая бронза БрА9Ж3Л по тому же ГОСТ 493-79 имеет σ_в ≥ 490 МПа при литье в кокиль и ≥ 392 МПа при литье в песчаную форму. Существенный прирост прочности и особенно твёрдости (≥ 170 против ≥ 100 МПа по Бринеллю) обеспечивается именно добавлением никеля.

Разница в относительном удлинении между кокильным и песчаным литьём (6 % против 5 %) обусловлена более высокой скоростью охлаждения при кокильном литье, которая обеспечивает более мелкозернистую структуру.

Твёрдость по Бринеллю ≥ 160–170 МПа подтверждает хорошую износостойкость сплава в узлах трения. Значения представляют минимально гарантированные показатели — реальная твёрдость конкретных отливок может быть выше в зависимости от технологических параметров литья и охлаждения.

Физические свойства бронзы БрАЖН10-4-4л при 20 °С

Справочные физические характеристики сплава приведены в таблице:

Антифрикционные характеристики сплава БрА10Ж4Н4Л

Бронза БрАЖН10-4-4л обладает хорошими антифрикционными свойствами, что делает её пригодной для работы в узлах трения скольжения:

Низкий коэффициент трения со смазкой (0,011) в сочетании с высокой твёрдостью (HB ≥ 160 МПа) делает этот сплав эффективным материалом для тяжелонагруженных подшипников скольжения и втулок.

Зарубежные аналоги бронзы БрАЖН10-4-4л

В таблице указаны как точные, так и ближайшие аналоги сплава по международным стандартам. При замене необходимо сопоставлять конкретные требования к химическому составу и механическим свойствам, так как полная эквивалентность не гарантирована.

Ближайший международный аналог — C95500 (Nickel Aluminum Bronze по классификации UNS). Этот сплав широко применяется в судостроении, нефтегазовой отрасли и тяжёлом машиностроении.

Коррозионная стойкость и особенности эксплуатации

Никель-алюминиевые бронзы типа БрАЖН10-4-4л обладают высокой стойкостью к коррозии в следующих средах: пресная и морская вода, неокислительные разбавленные кислоты, щелочные растворы, пищевые среды (органические кислоты, жиры, масла). Коррозионная защита обеспечивается двойным механизмом: оксидная плёнка на основе Al₂O₃ и стабилизирующее влияние никеля на α-фазу.

Сплав устойчив к кавитационной эрозии — одному из наиболее агрессивных видов разрушения в гидравлических системах. Это свойство обусловлено сочетанием высокой твёрдости и достаточной пластичности.

При эксплуатации в хлоридсодержащих средах (морская вода, рассолы) необходимо учитывать возможность селективного обесцинкования при наличии цинковых примесей в допустимых пределах. Однако при содержании Zn ≤ 0,5 % этот процесс, как правило, не носит критического характера.

Технологические особенности литья бронзы БрАЖН10-4-4л

Методы литья

Сплав пригоден для различных методов фасонного литья: в песчаные (земляные) формы, в металлические формы (кокиль), центробежное литьё. Кокильное литьё обеспечивает более плотную мелкозернистую структуру и, как следствие, повышенные механические свойства (δ₅ ≥ 6 % против ≥ 5 % при литье в песчаную форму). Центробежное литьё применяется для изготовления втулок, обечаек и колец с высокой плотностью структуры.

Литейные особенности

Алюминиевые бронзы с содержанием Al свыше 9,5 % имеют ряд технологических особенностей, которые необходимо учитывать при литье:

Сплав склонен к образованию оксидных плён на поверхности расплава. При заливке необходимо минимизировать турбулентность, применять литниковые системы с плавными переходами. Окисленные участки расплава (оксидные плёны Al₂O₃) при попадании в тело отливки образуют неметаллические включения, снижающие механические свойства.

Температурный интервал кристаллизации достаточно широк, что повышает склонность к рассредоточенной усадочной пористости. Для компенсации усадки применяют массивные прибыли и направленное затвердевание.

Рекомендуется выдержка расплава при температуре разливки не менее 1100–1150 °С с последующим контролем на газонасыщенность. Перегрев выше 1200 °С нежелателен, так как увеличивает поглощение газов.

Термическая обработка

По ГОСТ 493-79 механические свойства сплава нормируются для отливок без термической обработки. Тем не менее никель-алюминиевые бронзы могут подвергаться закалке и отпуску для дополнительного повышения прочности и твёрдости. При термообработке формируется мелкодисперсная структура α + κ-фаз, повышающая износостойкость.

Области применения сплава БрАЖН10-4-4л

Согласно приложению к ГОСТ 493-79 и ОСТ 24.207.01-90, бронза БрА10Ж4Н4Л применяется для изготовления следующих типов отливок:

Химическая и пищевая промышленность. Детали оборудования, контактирующие с агрессивными и пищевыми средами: корпуса насосов, рабочие колёса, клапаны, запорная арматура. Коррозионная стойкость сплава позволяет эксплуатировать изделия без дополнительных защитных покрытий.

Трубопроводная арматура. Корпуса задвижек, вентилей и кранов, штоки, седла клапанов, приводные устройства. ОСТ 24.207.01-90 напрямую регламентирует применение сплава для отливок трубопроводной арматуры.

Тяжёлое и металлургическое машиностроение. Крупные отливки венцов червячных колёс и втулок массой до 1 тонны. Высокая прочность и износостойкость делают сплав пригодным для тяжелонагруженных узлов трения скольжения.

Детали, работающие при повышенных температурах. Никель повышает жаропрочность сплава, что позволяет применять его для деталей, эксплуатируемых при температурах выше рабочего диапазона простых алюминиевых бронз.

Судостроение и морская техника. Международный аналог C95500 широко используется в судовых системах (гребные винты, детали рулевых механизмов, насосное оборудование). Сплав устойчив к воздействию морской воды и биообрастанию.

Формы поставки бронзы БрАЖН10-4-4л

Сплав поставляется преимущественно в виде литых заготовок различной номенклатуры:

Чушки (слитки). Для последующей переплавки и литья на предприятии-потребителе. Чушки поставляются по массе с указанием марки и номера плавки.

Фасонные отливки. По чертежам заказчика — втулки, венцы, корпусные детали, обечайки, седла, крышки и др. Отливки могут изготавливаться в песчаные формы, в кокиль или центробежным способом в зависимости от конфигурации и требований к качеству.

Центробежнолитые заготовки. Втулки, кольца, обечайки с повышенной плотностью структуры и минимальным припуском на механическую обработку.

Сравнение с близкими марками алюминиевых литейных бронз

Для обоснованного выбора марки при проектировании полезно сопоставить ключевые характеристики сплава БрАЖН10-4-4л с ближайшими конструкционными аналогами из ГОСТ 493-79:

БрАЖН10-4-4л обеспечивает наибольшую прочность и твёрдость среди стандартных литейных алюминиевых бронз по ГОСТ 493-79, но уступает по пластичности и является более технологически сложным в литье из-за высокого содержания легирующих элементов.

Рекомендации для инженеров и закупщиков

При заказе отливок из сплава БрАЖН10-4-4л следует учитывать несколько ключевых моментов. В заявке на поставку необходимо указывать марку сплава по ГОСТ 493-79 (БрА10Ж4Н4Л или БрАЖН10-4-4Л), способ литья (кокиль, песчаная форма, центробежное), требования к механическим свойствам и контролю качества.

Для крупных ответственных отливок массой свыше 200 кг рекомендуется предусматривать вырезку образцов из прибыльной части для проведения механических испытаний. Припуски на механическую обработку следует назначать с учётом склонности сплава к образованию литейных дефектов в поверхностном слое.

Входной контроль партий целесообразно выполнять по двум параметрам: химический анализ (на соответствие ГОСТ 493-79) и испытания на растяжение (σ_в и δ₅). При этом твёрдость по Бринеллю может служить экспресс-методом оценки качества отливки непосредственно на производстве.