Сплав БрБ2

Бронза БрБ2 — безоловянная деформируемая бериллиевая бронза, относящаяся к классу дисперсионно-упрочняемых медных сплавов. Маркировка расшифровывается просто: «Бр» — бронза, «Б» — бериллий, «2» — примерное содержание основного легирующего элемента в процентах. Обозначение системы легирования по классификации СЭВ — CuBe2Ni(Co), что допускает замену никеля на кобальт в качестве модифицирующей добавки.

Сплав выделяется среди прочих бронз сочетанием свойств, редко встречающихся в одном материале: высокая прочность и твёрдость после термической обработки, отличные пружинящие характеристики, коррозионная стойкость и способность к глубокой пластической деформации в закалённом состоянии. Именно эти качества определяют применение бронзы БрБ2 в ответственных узлах приборов и машин, где требуются надёжность и долговечность при циклических нагрузках.

Химический состав бериллиевой бронзы БрБ2

Содержание элементов регламентировано ГОСТ 18175-78. Основа сплава — медь (96,9–98,0 %). Ключевой легирующий компонент — бериллий (1,8–2,1 %), обеспечивающий механизм дисперсионного твердения. Никель (0,2–0,5 %) вводится для измельчения зерна и стабилизации структуры при термообработке.

Роль каждого элемента в сплаве определена его влиянием на структуру и свойства. Бериллий — главный упрочнитель: при нагреве он растворяется в меди, а при последующем старении выделяется в виде дисперсных частиц γ-фазы (CuBe), блокирующих движение дислокаций и резко повышающих прочность. Никель замедляет рост зерна при нагреве под закалку и способствует более равномерному распределению упрочняющей фазы. Допускается замена никеля на кобальт — он выполняет аналогичную функцию, дополнительно тормозя укрупнение зерен при нагреве.

Содержание свинца ограничено жёстко — не более 0,005 %, поскольку даже малые его количества снижают пластичность и ухудшают горячую деформируемость сплава. Железо, кремний и алюминий допускаются как неизбежные примеси, но их суммарное содержание контролируется.

Физические свойства бронзы БрБ2

Физические характеристики сплава определяются высоким содержанием меди и во многом близки к свойствам медных сплавов, однако присутствие бериллия вносит существенные коррективы — в частности, снижает теплопроводность и электропроводность по сравнению с чистой медью.

Теплопроводность БрБ2 (84 Вт/(м·°C)) примерно в 4,7 раза ниже, чем у чистой меди (около 394 Вт/(м·°C)), но существенно выше, чем у сталей. Это позволяет использовать детали из бериллиевой бронзы для отвода тепла в конструкциях, где применение стали затруднено по другим причинам — например, во взрывозащищённом оборудовании.

Модуль упругости 131 ГПа — один из самых высоких среди медных сплавов, что объясняет выбор БрБ2 для изготовления пружин и упругих элементов с высокой несущей способностью.

Механические свойства сплава БрБ2

Механические характеристики бронзы БрБ2 существенно зависят от состояния материала — мягкого (после закалки) или твёрдого (после закалки с последующей холодной деформацией на 30–40 %). Ниже приведены данные по ГОСТ 1789-2013 и ГОСТ 15834-2016 для основных видов полуфабрикатов.

Механические свойства полос и лент БрБ2 (ГОСТ 1789-2013)

Механические свойства проволоки БрБ2 (ГОСТ 15834-2016)

Твёрдость прутков из БрБ2 (ГОСТ 15835-2013)

Обозначения: σ_в — предел кратковременной прочности (временное сопротивление разрыву); σ_0,2 — условный предел текучести; δ — относительное удлинение при разрыве.

Широкий диапазон значений прочности (от 343 до 1372 МПа у проволоки) обусловлен различием в степени деформационного упрочнения и режимах термообработки. Твёрдая проволока после максимальной холодной деформации достигает прочности, сравнимой с высокопрочными сталями, что является уникальным свойством для медного сплава.

Термическая обработка бериллиевой бронзы БрБ2

Бронза БрБ2 относится к дисперсионно-упрочняемым сплавам. Это означает, что её свойства можно целенаправленно изменять с помощью термической обработки, которая проводится в два этапа: закалка и последующее старение.

Закалка бронзы БрБ2

Нагрев до 750–790 °C с выдержкой, достаточной для полного растворения бериллия в медной матрице, и быстрое охлаждение в воде. В результате образуется пересыщенный твёрдый раствор бериллия в меди — сплав находится в мягком, пластичном состоянии (М). В этом состоянии бронза БрБ2 хорошо деформируется: её можно прокатывать, штамповать, гнуть и вытягивать в холодном состоянии.

Старение (дисперсионное твердение)

Нагрев закалённого (или закалённого и деформированного) сплава до 300–350 °C с выдержкой 2–3 часа. При этом из пересыщенного раствора выделяются мелкодисперсные частицы упрочняющей γ-фазы (интерметаллид CuBe), которые блокируют движение дислокаций и резко повышают прочность и твёрдость. Предварительная холодная деформация перед старением усиливает эффект упрочнения, поскольку создаёт дополнительные центры зарождения частиц и обеспечивает их более равномерное распределение.

Диапазон температур горячей обработки давлением: 750–800 °C. Температура отжига: 530–650 °C.

Типичная производственная схема: закалка → холодная деформация (при необходимости) → старение. После полного цикла обработки предел прочности может достигать 1200–1400 МПа, а твёрдость — 350–400 HB. Однако эти значения соответствуют именно полному циклу обработки, а не только закалке.

Коррозионная стойкость бронзы БрБ2

Бронза БрБ2 проявляет хорошую устойчивость к воздействию ряда агрессивных сред: морской и пресной воде, неокисляющим кислотам (соляной, фосфорной, угольной), щелочным растворам, а также продуктам разложения пластмасс. Во влажной атмосфере на поверхности образуется оксидная плёнка — она не ухудшает механических свойств и дополнительно защищает материал.

Вместе с тем существуют среды, в которых применение БрБ2 ограничено:

• Влажные пары аммиака — вызывают межкристаллитную коррозию и склонность к коррозионному растрескиванию.
• Газовые среды с галогенами (фтор, хлор, бром, йод) — на поверхности образуются летучие галогениды бериллия, что приводит к обеднению сплава по бериллию и деградации свойств. Этот процесс усиливается при повышенных температурах.

Для конструктора важно учитывать эти ограничения при выборе материала для деталей, работающих в средах, содержащих аммиак или галогенсодержащие соединения.

Технологические свойства — обработка, пайка, сварка

Бронза БрБ2 обладает комплексом технологических свойств, делающих её удобным конструкционным материалом.

Обработка давлением. В закалённом (мягком) состоянии сплав обладает высокой пластичностью — относительное удлинение достигает 40–50 %. Это позволяет выполнять глубокую вытяжку, штамповку, гибку и прокатку в холодном состоянии. Горячая деформация проводится в интервале 750–800 °C.

Механическая обработка. В состаренном (упрочнённом) состоянии сплав поддаётся обработке резанием, однако высокая твёрдость требует применения инструмента с твёрдосплавными пластинами и обильного охлаждения. В мягком состоянии обрабатывается легче, но может давать длинную вязкую стружку.

Пайка. Выполняется серебросодержащими припоями с применением флюсов на основе фтористых солей. Перед пайкой поверхности тщательно зачищаются. Качество соединения зависит от чистоты подготовки и правильного выбора температурного режима.

Сварка. Допускается контактная (точечная, роликовая) и аргонодуговая сварка в среде инертных газов. Электродуговая сварка ограничена — сплав имеет широкий интервал кристаллизации, что повышает склонность к горячим трещинам. Сварку рекомендуется проводить до термической обработки (старения), поскольку после старения механические свойства сварного шва могут быть неудовлетворительными.

Области применения бериллиевой бронзы БрБ2

Сочетание высокой прочности, упругости, износостойкости и искробезопасности определяет использование бронзы БрБ2 в ответственных конструкциях.

Пружины и упругие элементы. Основная область применения. Из ленты и полос БрБ2 изготавливают плоские пружины, из проволоки — витые пружины, токосъёмные контакты, сильфоны, мембраны и другие чувствительные элементы приборов. Пружинные свойства сохраняются при повышенных температурах (до 250 °C) и в криогенных условиях.

Искробезопасный инструмент. Бериллиевая бронза не даёт искр при ударе и трении, поэтому из неё изготавливают ручной инструмент (ключи, молотки, зубила, отвёртки) для работы во взрывоопасных зонах — на нефтегазовых объектах, в шахтах, на химических производствах.

Износостойкие детали. Антифрикционные свойства и высокая твёрдость после старения позволяют использовать сплав для изготовления втулок, подшипников скольжения, направляющих и других деталей, работающих в условиях трения. Коэффициент трения пары БрБ2 — сталь при наличии смазки составляет 0,05–0,08.

Электротехника и приборостроение. Средняя электропроводность в сочетании с пружинящими свойствами делает БрБ2 материалом для контактных групп, разъёмов, токосъёмников и электродов контактной сварки.

Штампы для пластмасс. Теплопроводность выше, чем у стали, а коррозионная стойкость к продуктам разложения полимеров обеспечивает долговечность штамповой оснастки.

Формы поставки проката из бронзы БрБ2

Полуфабрикаты из бериллиевой бронзы БрБ2 выпускаются в мягком (М — закалённом) и твёрдом (Т — деформированном после закалки) состояниях.

Ленты и полосы из бериллиевой бронзы

Холоднокатаные ленты и полосы поставляются по ГОСТ 1789-2013 (взамен ГОСТ 1789-70). Толщина — от 0,02 до 6 мм, ширина — от 10 до 300 мм (для лент) и от 40 до 300 мм (для полос). Применяются в приборостроении для пружин и чувствительных упругих элементов.

Проволока из бронзы БрБ2

Круглая проволока производится по ГОСТ 15834-2016 (взамен ГОСТ 15834-77). Стандартные диаметры — от 0,1 до 8 мм. Проволока поставляется в мотках и на катушках, используется для навивки пружин, изготовления контактов и токосъёмных элементов.

Прутки из бериллиевой бронзы БрБ2

Круглые, квадратные и шестигранные тянутые прутки, а также круглые прессованные прутки — по ГОСТ 15835-2013 (взамен ГОСТ 15835-70). Тянутые — диаметром от 5 до 41 мм, прессованные — от 16 до 120 мм. Находят применение в приборостроении, машиностроении, при изготовлении втулок и искробезопасного инструмента.

Трубы и литьё

Бронза БрБ2 также поставляется в виде труб и литых заготовок (втулок, плит). Литьё из бериллиевой бронзы позволяет получать заготовки сложной формы с последующей термической обработкой для достижения необходимых механических свойств.

Зарубежные аналоги бронзы БрБ2

Сплав БрБ2 имеет прямые аналоги в международных стандартах:

Близким по системе легирования отечественным сплавом является БрБНТ1,7 — бериллиевая бронза с пониженным содержанием бериллия и добавкой титана. Она обладает несколько меньшей прочностью, но лучшей электропроводностью.

Техника безопасности при работе с бериллиевой бронзой

Бериллий и его соединения токсичны. Пыль и аэрозоли, образующиеся при механической обработке (точение, шлифование, сверление), представляют опасность для органов дыхания. При работе с бронзой БрБ2 необходимо соблюдать ряд мер:

• Обеспечить эффективную местную вытяжную вентиляцию на всех участках механической обработки.
• Использовать средства индивидуальной защиты — респираторы класса FFP3, защитные очки, спецодежду.
• Проводить регулярную влажную уборку рабочих мест для исключения накопления бериллийсодержащей пыли.
• Избегать сухого шлифования и других операций, сопровождающихся интенсивным пылеобразованием, без соответствующей аспирации.
• Контролировать содержание бериллия в воздухе рабочей зоны в соответствии с действующими санитарными нормами.

Готовые изделия из бериллиевой бронзы в условиях нормальной эксплуатации безопасны — опасность представляют именно процессы, связанные с образованием мелкодисперсных частиц.