Сплав БрКд1

Кадмиевая бронза БрКд1 — низколегированный деформируемый сплав на основе меди с добавкой кадмия (0,9–1,2 %). Относится к группе безоловянных жаропрочных бронз. Основное достоинство сплава — сочетание высокой электро- и теплопроводности, близкой к чистой меди, с повышенными (по сравнению с медью) механическими свойствами. Единственным способом упрочнения БрКд1 является холодная пластическая деформация — сплав не поддаётся дисперсионному твердению.

Марка БрКд1 расшифровывается по стандартной системе обозначения безоловянных бронз: «Бр» — бронза, «Кд» — кадмий, «1» — номинальное содержание кадмия около 1 %. Международное обозначение по СТ СЭВ 731-77 — CuCd1.

Нормативная документация на кадмиевую бронзу БрКд1

Химический состав и марка сплава БрКд1 регламентированы следующими документами:

Технические условия на конкретные виды проката из БрКд1 устанавливаются соответствующими стандартами на полуфабрикаты (прутки, проволоку, листы, полосы).

Зарубежные аналоги сплава БрКд1

Кадмиевые бронзы с аналогичным содержанием Cd производятся в ряде стран. Ниже приведены как точные, так и ближайшие аналоги:

Химический состав бронзы БрКд1 по ГОСТ 18175-78

Кадмиевая бронза — двухкомпонентный сплав, где медь составляет основу, а кадмий — единственный легирующий элемент.

Содержание меди указано приблизительно — Cu является основой сплава. Примеси, не определяемые и не указанные в таблице, учитываются в общей сумме примесей (п. 3 ГОСТ 18175-78).

Влияние кадмия на свойства меди

Добавка даже небольшого количества кадмия (около 1 %) существенно изменяет свойства меди. Кадмий практически не снижает электропроводность медной матрицы — бронза БрКд1 сохраняет до 85–90 % электропроводности чистой меди. При этом легирование кадмием повышает предел прочности и твёрдость, улучшает износостойкость и жаропрочность. Кадмий хорошо растворяется в меди в твёрдом состоянии, что обеспечивает однородность структуры сплава.

Именно это сочетание высокой электропроводности с улучшенными механическими характеристиками определяет нишу применения БрКд1 — токопроводящие детали, работающие при повышенных температурах и механических нагрузках.

Физические свойства кадмиевой бронзы БрКд1

Физические характеристики приведены для температуры 20 °C:

Для сравнения: удельное электросопротивление чистой меди М1 составляет около 17,2 × 10⁻⁹ Ом·м, теплопроводность — около 394 Вт/(м·°C). Таким образом, бронза БрКд1 уступает меди по проводимости, однако значительно превосходит большинство других бронзовых сплавов, у которых электросопротивление, как правило, в разы выше.

Литейно-технологические свойства БрКд1

Сплав хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Технологические температурные режимы:

Горячая обработка (прессование, прокатка, ковка) проводится при 680–900 °C. Рекристаллизационный отжиг для снятия деформационного упрочнения — в диапазоне 500–1000 °C. Выбор конкретной температуры отжига зависит от требуемого уровня механических свойств и степени предшествующей деформации.

Механические свойства бронзы БрКд1 при 20 °C

Механические характеристики БрКд1 существенно зависят от состояния поставки — мягкий (отожжённый, «М») или твёрдый (нагартованный, «Т»). Упрочнение достигается исключительно холодной пластической деформацией (наклёпом).

Свойства мягкого и твёрдого сплава

В мягком состоянии сплав обладает высокой пластичностью (удлинение до 45 %), что обеспечивает хорошую деформируемость при холодном волочении проволоки и прокатке. После наклёпа прочность возрастает почти вдвое — до 500–600 МПа, но пластичность резко снижается до 1,5–3 %. Это типичное поведение для низколегированных медных сплавов, упрочняемых деформацией.

Технологические особенности упрочнения

Поскольку термическое упрочнение (закалка + старение) для БрКд1 невозможно, единственный способ повысить прочность — холодная деформация. Степень обжатия при волочении или прокатке определяет конечный уровень прочности и пластичности. Промежуточный отжиг при многопроходной обработке позволяет восстановить пластичность для продолжения деформирования.

При выборе между мягким и твёрдым состоянием поставки инженер и технолог руководствуются условиями эксплуатации: для деталей, требующих формоизменения (гибка, штамповка), заказывают мягкий прокат; для токосъёмных элементов, работающих на износ, — твёрдый (нагартованный).

Область применения кадмиевой бронзы БрКд1

Сочетание высокой электропроводности, повышенной прочности и хорошей износостойкости определяет основные направления применения сплава БрКд1:

Коллекторы и электроконтактные детали

Основная область применения БрКд1 — коллекторы электродвигателей. Материал коллекторных пластин должен одновременно обеспечивать минимальные потери тока на переходном контакте и выдерживать механический износ от щёток. Кадмиевая бронза удовлетворяет этим требованиям: электропроводность остаётся высокой, а повышенная (по сравнению с чистой медью) твёрдость продлевает срок службы коллектора.

Детали машин контактной сварки

При контактной (точечной, шовной, стыковой) сварке электроды и ролики работают в жёстких условиях: высокие токи, локальный разогрев, давление. Электрод должен хорошо проводить ток, быть термически стабильным и устойчивым к пластической деформации при нагреве. БрКд1 обладает жаропрочностью, достаточной для сохранения формы электрода при циклическом нагреве.

Контактные провода городского электротранспорта

Кадмиевая бронза применяется для изготовления контактных проводов троллейбусных и трамвайных линий. Провод должен сочетать высокую электропроводность с достаточной прочностью на разрыв и износостойкостью в зоне контакта с токосъёмным узлом. Для этих целей используют нагартованную проволоку из БрКд1, которая обеспечивает предел прочности до 500–600 МПа.

Искрогасящие свойства

Бронза БрКд1 обладает способностью к искрогашению, что делает её пригодной для применения во взрывоопасных зонах — в тех случаях, когда искрообразование при ударе или трении недопустимо. Искробезопасный инструмент из кадмиевой бронзы применяется на предприятиях нефтегазовой и химической промышленности.

Формы поставки проката из БрКд1

Полуфабрикаты из кадмиевой бронзы выпускаются в различных формах в зависимости от назначения:

Прутки бронзовые БрКд1

Прутки изготавливаются тянутыми, прессованными и катаными. Тянутые прутки имеют повышенную точность размеров и более высокие механические свойства за счёт деформационного упрочнения. Прессованные прутки — мягче, с более высокой пластичностью. Прутки используются для изготовления электродов контактной сварки, роликов и других деталей электротехнического назначения.

Проволока из кадмиевой бронзы

Проволока БрКд1 — основной вид продукции из этого сплава. Изготавливается волочением с промежуточными отжигами. Поставляется в мягком, полутвёрдом и твёрдом состоянии. Основное назначение — контактные провода электрифицированного транспорта, обмоточные провода, токоведущие элементы.

Листы и полосы

Листовой и полосовой прокат из БрКд1 применяется для изготовления коллекторных пластин, токоведущих шин и элементов электрических машин. Поставляется в мягком и твёрдом состоянии.

Сравнение БрКд1 с другими токопроводящими бронзами

Для электротехнических целей, где требуется сочетание проводимости и прочности, помимо кадмиевой бронзы применяют хромовую (БрХ), хромоциркониевую (БрХЦр) и бериллиевую (БрБ2) бронзы. Каждый сплав занимает свою нишу:

Хромистая бронза БрХ обладает преимуществом в виде термического упрочнения и более высокой жаропрочности. Однако кадмиевая бронза проще в производстве и обработке, а при умеренных рабочих температурах обеспечивает достаточный ресурс.

Особенности обработки сплава БрКд1

Холодная деформация

Сплав хорошо деформируется в холодном состоянии: волочением, прокаткой, штамповкой. Допустимые степени обжатия между отжигами достигают 80–90 %, что обеспечивает высокую производительность волочения проволоки. При необходимости получения нагартованного проката промежуточный отжиг проводится при температуре, подобранной в зависимости от требуемого уровня прочности.

Горячая деформация

Горячее прессование и прокатка ведутся при 680–900 °C. Сплав обладает хорошей горячей пластичностью. Прессованные прутки круглого и профильного сечения получают именно горячим методом с последующей холодной калибровкой (при необходимости).

Пайка и сварка

БрКд1 хорошо паяется мягкими и твёрдыми припоями. Сварка допустима, однако следует учитывать, что при нагреве в зоне термического влияния происходит разупрочнение (рекристаллизация), что снижает механические свойства в околошовной зоне нагартованного металла.

Условия хранения и транспортировки проката БрКд1

Кадмиевая бронза устойчива к атмосферной коррозии. Прокат хранится в крытых складах, защищённых от осадков и прямого контакта с агрессивными средами. При длительном хранении на поверхности может образовываться тонкая оксидная плёнка, не влияющая на эксплуатационные свойства.

Упаковка и маркировка проката производятся в соответствии с требованиями ГОСТ 24231-80 (общие требования к отбору и подготовке проб для химического анализа) и стандартов на конкретные виды полуфабрикатов.

Экологические и санитарные ограничения

Кадмий и его соединения относятся к веществам I класса опасности (чрезвычайно опасные). При механической обработке деталей из БрКд1 (точение, шлифование) образуется стружка и пыль, содержащая кадмий. Рабочие зоны должны быть оборудованы местной вытяжной вентиляцией. Утилизация отходов регламентируется законодательством в области обращения с опасными отходами.

В ряде стран применение кадмийсодержащих сплавов ограничивается экологическими нормативами (в частности, директивой ЕС RoHS). При проектировании новых изделий целесообразно учитывать тенденцию к замене кадмиевых бронз на экологически безопасные аналоги — хромовые и хромоциркониевые бронзы.

Рекомендации при заказе проката БрКд1

При формировании заявки на поставку рекомендуется указывать:

Условия поставки, объёмы и сроки согласовываются индивидуально. Сертификат качества с указанием химического состава и механических свойств прилагается к каждой партии.