бериллиевая бронза что это такое
Уникальные свойства бериллиевой бронзы
Дисперсионно-упрочняемый сплав бериллия и меди хорошо известен специалистам как бериллиевая бронза. Активное использование такого материала для производства деталей различного назначения, в том числе и ответственных изделий, обусловлено уникальными свойствами данного сплава.
Уникальность сплава бериллия и меди
Бериллия в таком сплаве содержится 1,6–3 процента. К бронзам данной группы относятся сплавы меди, бериллия и кобальта (МКБ), а также меди, бериллия и никеля (МНБ). В МНБ и МКБ содержание бериллия не превышает 0,8%.
Примечательной особенностью бериллиевых бронз является то, что при их нагреве меняется растворимость легирующих элементов, содержащихся в их составе. В частности, при осуществлении закалки деталей из данных материалов из однофазной зоны в них увеличивается концентрация атомов легирующих добавок. В результате такой термообработки формируется пересыщенный твердый раствор, который очень неустойчив по своим термодинамическим свойствам.
Как только изменяются внешние условия, такой раствор распадается на составляющие элементы. Особенно сильно активизируется такой процесс при нагревании сплава, а при снижении температуры распад замедляется. От того, какой дисперсности будут выделения, образующиеся при таком распаде, зависит упрочняющий эффект от проводимой термообработки. Правильно выполненная термическая обработка позволяет не только улучшить прочностные характеристики деталей из бериллиевой бронзы, но и повысить предел текучести данного сплава.
Свойства системы «медь – бериллий»
Наиболее распространенной маркой бериллиевых сплавов является бронза БрБ2. Сплав данной марки относится к категории высоколегированной бронзы, что обусловлено достаточно высоким содержанием в ней основного легирующего элемента (около 2%). К низколегированным бериллиевым бронзам относятся сплавы групп МНБ и МКБ, в которых бериллия содержится не более 0.8%. Есть еще более высоколегированная бериллиевая бронза (БрВ2,5), легирующего элемента в которой содержится около 2,5%.
Бронза бериллиевая высоколегированная (БрБ2)
Сплавы, основу которых составляют бериллий и медь, отличаются следующими характеристиками:
Свойства, которыми обладают бериллиевые сплавы, можно еще более улучшить, если подвергнуть их термической обработке: закалке и искусственному старению. Можно придать им максимальную пластичность и способность к легкому деформированию, если подвергнуть закалке при температуре порядка 775 градусов.
В обычном состоянии бронза бериллиевой группы обладает временным сопротивлением, равным 450 МПа. При пластическом деформировании деталей из бериллиевой бронзы эта характеристика улучшается на 40%. Временное сопротивление и другие механические характеристики сплавов этой группы можно улучшить в разы, если подвергнуть их искусственному старению, выполняемом сразу после закалки. В частности, бронза БрБ2 после осуществления такой термообработки имеет временное сопротивление, равное 1400 МПа.
Плиты бериллиевой бронзы
Отличает бронзы бериллиевой группы и такое важное качество, как теплостойкость. Эксплуатационные свойства таких сплавов не меняются, даже если их нагреть до температуры 340 градусов. А при температуре нагрева 500 градусов бронза бериллиевой группы обладает такими же свойствами, как изделия, изготовленные из алюминиевых и оловянно-фосфористых сплавов, эксплуатирующихся при температуре 20 градусов.
Технологические характеристики позволяют изготавливать из бериллиевых сплавов сложные отливки высокого качества, но обычно детали из них производят из заготовок, подвергнутых предварительной пластической деформации (листы и полосы, проволока, ленты и др). Широкое применение сплавов бериллиевой группы обусловлено еще и тем, что они хорошо поддаются различным видам обработки, а для соединения деталей из них можно использовать все известные способы (сварка и пайка). Между тем, на использование таких операций существуют и определенные ограничения, которые следует учитывать при их планировании.
Ограничения по способам соединения сплавов на основе бериллия и меди касаются как пайки, так и сварки. Пайку бериллиевых бронз следует выполнять сразу же, как была выполнена тщательная механическая зачистка соединяемых элементов. В качестве припоя при выполнении такой технологической операции используются сплавы на основе серебра, а в защитном флюсе, использование которого необходимо, должны в обязательном порядке содержаться фтористые соли. Высокое качество пайки деталей из данных сплавов обеспечивает технология, предполагающая выполнение соединения в вакууме и использование слоя защитного флюса.
Детали из бериллиевых бронз не соединяют при помощи электродуговой сварки, для этого успешно используют другие технологии: точечную, шовную, роликовую и сварку в среде инертных газов. Такое ограничение в применении электродуговой сварки обусловлено тем, что сплавы данной группы обладают большим температурным интервалом кристаллизации. Кроме этого, сварку бронз бериллиевой группы нельзя выполнять после термической обработки, что обусловлено их особыми механическими свойствами.
Полосы из бериллиевой бронзы
Где используются сплавы данной группы
Бронзы медно-бериллиевой группы находят широкое применение в тех областях, в которых от деталей требуется их соответствие особым характеристикам. Объясняется это не только их уникальными эксплуатационными свойствами, но и дороговизной их производства.
Наиболее распространенными областями применения сплавов бериллиевой группы, является производство электронных и электрических компонентов:
Детали, изготовленные из бронз медно-бериллиевой группы, сегодня можно встретить практически в любом компьютерном устройстве, планшете, смартфоне и сотовом телефоне.
Исключительные антикоррозионные свойства бериллиевых бронз, их прочность и антифрикционные характеристики делают их оптимальным материалом для производства элементов нефтеперерабатывающего оборудования и буровых установок. В частности, из них производят трубы для бурильных установок, элементы резьбовых соединений, опоры для установки насосов, использующихся для перекачки нефти и продуктов ее переработки.
Гаечный ключ взрывобезопасный из бериллиевой бронзы
Свойства сплавов на основе бериллия и меди позволяют применять их для производства следующих изделий.
Из бронз медно-бериллиевой группы также производят поршни для оснащения оборудования, на котором выполняются операции литья под давлением, стенки камер для кристаллизации литейных заготовок, кокили для литья деталей из различных металлов. Использование бериллиевой бронзы для производства подобной продукции, позволяет не применять дополнительных приспособлений для обеспечения защиты их стенок, испытывающих значительные механические и термические нагрузки.
Сплав, состоящий из меди и бериллия и подвергнутый термической обработке называют бериллиевой бронзой, обладающей уникальными свойствами, и нашедшей применение в современном смартфоне и телефоне.
Базовые параметры
Бериллиевая бронза обладает высокой прочностью, стойкостью к воздействию различных химических веществ. Кроме этого, сплав отличается хорошей свариваемостью. Набор этих свойств позволяет применять бериллиевую бронзу в различных отраслях, например, в электротехнической, из него производят элементы контактных групп, пружины, различного типа мембраны. К сожалению, бериллий стоит достаточно дорого и это мешает массовому применению этого материла.
Между тем существует такая марка, как БрВ2,5. В ней массовая доля легирующих добавок составляет 2,5% и это позволяет отнести ее к высоколегированным.
Существуют и импортные материалы, имеющие следующую маркировку:
Технологические свойства бериллиевой бронзы
Надо отметить что этот материал легко поддается всем видам механической обработки, сварки и пайки. Но, выбирая бериллиевую бронзу в качестве материала для производства деталей и узлов, технолог должен помнить, что существует ряд ограничений, в частности на сварочные операции. Перед этими операциями необходимо выполнить зачистку кромок обрабатываемых деталей. Для пайки необходимо применять припой, в состав которого входит серебро. Место пайки, должно быть, защищено флюсом, содержащим в себе фтористые соли. Максимальное качество пайки может быть достигнуто при выполнении ее в вакууме.
Практика применения
Чаще всего детали, выполненные их бериллиевых сплавов, применяют в электронной и электротехнических отраслях. Из них изготавливают следующие узлы и детали, применяемые:
В носимом мобильном устройстве связи и персональных компьютерах можно найти компоненты, выполненные из бериллиевых бронз.
Не обошлась без деталей из этого материала и нефтедобывающая промышленность. Из них получают такие детали и узлы:
Химический состав этого материала обеспечивает высокую упругость. То есть, при ударах по изготовленным из этой бронзы деталям не возникают искры, а это очень важно для опасных производств, например, при добыче и транспортировке углеводородов.
Параметры бериллиевых сплавов допускают их использование в авиационной промышленности. Например, в конструкции шасси самолётов и вертолётов, навигационных системах и других комплексах.
Низколегированные сплавы нашли свое место и в сварочном деле. Из них производят электроды, применяемые в аппаратах контактной сварки.
Эта бронза широко применяется в литейном деле. В частности, из этого материала производят отдельные узлы для литьевых машин, стены камер, в которых осуществляется кристаллизация, литейные формы.
Развитие электротехнической промышленности, в том числе приборостроительной отрасли постоянно требует появление новых материалов. Это вызвано ужесточением требований к качеству продукции, ее надежности и длительность эксплуатации. До недавних пор бериллиевая бронза вполне удовлетворяла предъявляемым потребителями требованиям.
Немного слов в заключение
Все это позволяет применять в технически сложных конструкция и можно сказать, что многие товаропроизводители применяют этот материал для повышения качества своей продукции.
Список тематических статей
Бронза бериллиевая
Общие сведения
Бериллиевыми бронзами называют группу металлических сплавов, основными компонентами которых являются медь и бериллий. Такие композиции металлов также называют «бериллиевая латунь» или «бериллий-латунь», «бериллиевая медь» или «бериллий-медь, «бериллий-бронза», Cu-Be и т.д.
Бериллиевые бронзы интересны для индустрии пластмасс тем, что их свойства позволяют достаточно широко применять бронзы при изготовлении форм для литья пластмасс под давлением (прессформах, литьевых формах) и другой формующей оснастки в качестве альтернативы сталям. Такое использование оправдано для изготовления компонентов оснастки, требующих повышенной теплоотдачи, то есть в формообразующих деталях при высоких скоростях переработки (коротких циклах литья). Кроме того, в составе литьевых форм детали из бериллиевой бронзы – частый компонент горячеканальных систем для доставки расплавленной пластмассы в формообразующую полость. При таких применениях используется важнейшее свойство бериллиевых сплавов – очень высокая теплопроводность.
Рис.1 Внешний вид бронзовых заготовок
Самой часто используемой маркой бронз является сплав БрБ2, что говорит о содержании в нем 98 процентов меди и 2 процентов бериллия.
Особенности сплавов Cu-Be
Бериллиевая бронза является представителем типа дисперсионно-упрочняемых металлических сплавов. От других смесей металлов их прежде всего отличает наличие зависимости степени растворимости легирующих добавок от температуры материала.
Как правило, в бериллиевых бронзах содержание непосредственно элемента бериллия (Be) варьируется в пределах от 1,5 до 3 процентов. Кроме него в состав подобных бронз может входить кобальт (медь-кобальт-бериллий, МКБ-сплав) или никель (МНБ-сплав). В таких бронзах количество бериллия еще ниже – обычно до 0,8 процентов.
Как было упомянуто выше, при нагревании Cu-Be материала изменяется величина растворимости легирующих металлов, которые содержатся в его составе. Это важно для проведения закалки изделий из бериллиевой бронзы. Грамотно проведенная термообработка ведет к существенному повышению физико-механических свойств изделий и, кроме того, увеличивает предел текучести материала.
Свойства сплавов «медь – бериллий»
Ниже представлены основные характеристики бериллиево-медных сплавов, применяемым на сегодняшний день.
— очень высокие электропроводность и теплопроводность;
— высокие показатели по износостойкости;
— хорошая сопротивляемость эффектам ползучести и усталости;
— повышенный модуль упругости;
— не обладают эффектом искрения при ударных нагрузках;
— очень большая коррозионная стойкость;
— высокая твердость и прочность.
Существует возможность улучшений характеристик бериллиевых бронз, как было сказано ранее, проведя процедуру их термообработки, а именно закалки и искусственному старению. Также разработана технология придания бронзе высокой пластичности – для этого необходимо закалить деталь при температуре около 775 градусов С.
При нормальных условиях (до закалки и старения) медно-бериллиевые сплавы характеризуются значением временного сопротивления порядка 450 МПа. Однако, этот параметр можно существенно повысить после проведения непосредственно закалки или процесса искусственного старения бронз. Так марка БрБ2 получает значение временного сопротивления в 1400 МПа после такой термообработки.
Применение бронз
Бериллиевые бронзы широко используются в отраслях, требующих наличия у материала ценных свойств, описанных выше. В иных случаях можно обойтись более простыми и дешевыми материалами. Чаще всего бериллиево-медные сплавы применяются при изготовлении электронных компонентов и в электротехнике, например при выпуске:
— телекоммуникационных устройств, компонентов оптико-волоконных систем, компонентов прочих электронных устройств;
— детали соединений, пружинных контактов;
— гнездовых разъемов, деталей интегральных схем;
— деталей двигателей и прочих изделий для транспортной промышленности;
— авиационных компонентов, в том числе компонентов шасси самолетов;
— деталей оборудования, использующегося при переменных нагрузках высокой амплитуды и больших перепадах температуры;
— электродов, стержней и комплектующих оборудования для сварки повышенной надежности и долговечности;
— компонентов нефтеперерабатывающего и нефтедобывающего, в том числе бурового оборудования;
— детали резьбовых соединений, насосного оборудования в нефтепереработке и нефтехимии;
— компонентов оборудования для навигации, прочих ответственных изделий и механизмов.
Комплектующие из бериллиево-медных бронз почти наверняка находятся в каждом современном компьютере или гаджете, в том числе в смартфонах и планшетах.
Рис.2. Бериллиево-бронзовые вставки в прессформе
Также бериллиевые бронзы применяются для изготовления поршней для машин по литью металлических сплавов под давлением, прочих деталей литьевого оборудования. Применение бронзы в этом случае дает возможность избежать дорогостоящей защиты внутренней поверхности оборудования, работающего при высоких термо-механических нагрузках.
Незаменимы медно-бериллиевые сплавы при производстве оборудования для переработки пластмасс, где активно используются комбинация их прочности и теплопроводности, а также прочие ценные свойства. Существуют специальные торговые марки бронз, использующихся специально для изготовления пуансонов высокоточных и высокоскоростных прессформ для литья пластмасс под давлением. Материал CuBe находит применение и в экструзии, и в выдувном формовании, и в термоформовании, главным образом при изготовлении высокопроизводительной формующей оснастки. Его использование удорожает и усложняет оснастку, т.к. часто приходится применять комбинацию материалов вместо использования цельного стального элемента, однако оно окупается за счет повышения производительности получаемой оснастки.
Бериллиевая бронза
При соединении нескольких компонентов получаются сплавы, обладающие уникальными эксплуатационными качествами. Примером можно назвать бериллий и бронзу, при соединении которых получается бериллиевая бронза. Она обладает особыми эксплуатационными качествами, которые определяют активное применение материала для выпуска самых различных деталей и вещей. Рассмотрим данный сплав подробнее.
Свойства материала
Самым распространенным сплавом можно назвать БрБ2. Его очень часто называют высоколегированной бронзой. Кроме этого востребованы и другие марки бериллиевой бронзы, которые в составе могут иметь различный процент основных и легирующих компонентов.
Основные свойства бериллиевой бронзы заключаются в нижеприведенных моментах:
Внешний вид бериллиевой бронзы
Состав сплава определяет основные эксплуатационные качества. Кроме этого не стоит забывать о том, что бериллиевые сплавы подвергаются термохимической обработке. Пластичность и прочность достигается при закалке, которая проводится при температуре около 800 градусов Цельсия.
Уникальные свойства бериллиевой бронзы связаны с ее особым химическим составом. В качестве примеров отметим следующие моменты:
Временное сопротивление имеет показатель 450 МПа, но может изменяться в зависимости от особенностей оказываемого воздействия. Пластическая модификация материала позволяет увеличить этот показатель примерно на 40%. После термохимической обработки показатель составляет 1400 МПа.
Изменение основных свойств происходит при нагреве бериллиевой бронзы до температуры 340 градусов Цельсия. При нагреве до 500 градусов Цельсия бериллиевый состав приобретает эксплуатационные качества, которые характерны алюминию.
Область применения
Технологические свойства сплава определяют то, что он может применяться для получения отливок сложной формы и высокого качества. Кроме этого, сплав бериллиевой бронзы обладает хорошей обрабатываемостью, а для соединения деталей могут применяться самые различные методы.
Детали из бериллиевой бронзы БрБ2
Может проводится пайка и сварка с учетом принятых ограничений. Пайка может проводится исключительно после чистки поверхности. В качестве припоя может применяться состав на основе серебра. Также может применяться метод вакуумной пайки, который обладает достаточно высокой эффективностью.
Нельзя применять метод электродуговой сварки для соединения бериллиевой бронзы.
Чаще всего применяются следующие технологии:
Электродуговая сварка не может применяться по причине высокого температурного интервала кристаллизации. Кроме этого проводить сварочную работу после термохимической обработки нельзя.
Бронза медно-бериллиевой группы получила широкое применение в той области, где металл должен обладать уникальными эксплуатационными качествами. Ограничением по области применения можно назвать то, что стоимость материала весьма велика. Поэтому его применяют для изготовления небольших деталей.
Наиболее распространенное применение заключается в производстве современных микросхем.
Примеры изготавливаемых из бронзы деталей:
Инструмент из бериллиевой бронзы
Подобный сплав сегодня применяется при производстве различных мобильных устройств, а также оргтехники или бытовых приборов. Кроме этого он используется при выпуске оборудования, применяемого в нефтяной промышленности. Это связано с антикоррозионными и антифрикционные качества. Примером можно назвать то, что сплав применяется для производства труб для бурильных установок, опор для устанавливаемых насосов и других элементов. Этот момент определяет то, что затраты при нефтедобыче весьма велики.
Бериллиевая бронза БрБ2
Бронза бериллиевая БрБ2 получила достаточно большое распространение. Это связано с необычными эксплуатационными качествами данного сплава.
Лента бериллиевой бронзы БрБ2
Применение бронзы БрБ2 следующее:
Довольно часто сплав применяется для изготовления поршней агрегатов. Для повышения эксплуатационных качеств может проводится дополнительная химико-термическая обработка.
Особенностями бериллиевой бронзы БрБ2 можно назвать нижеприведенные моменты:
Дополнительная обработка позволяет придать поверхности большую твердость и пластичность. В продаже можно встретить полуфабрикаты, которые выпускаются в мягком и твердом состоянии. Подобная бериллиевая бронза отлично проявляет себя при работке в коррозионных средах, не поддается истиранию.
В заключение отметим, что бериллиевая бронза обладает высокими эксплуатационными качествами, но при этом стоимость материала тоже очень высока из-за редкости применяемых компонентов и сложности процесса соединения основных составляющих. Однако сегодня сплав встречается довольно часто, так как позволяет изготавливать электрические схемы небольших размеров. Этот момент также обуславливает существенное увеличение стоимости современного оборудования.
Бериллиевая бронза – сплав с массой уникальных свойств
Особые свойства, которые имеет бериллиевая бронза, обуславливают ее активное применение в различных отраслях промышленности для ответственных конструкций.
1 Сплав бериллия с медью – что он собой представляет?
Бериллиевая бронза – это дисперсионно-упрочняемый сплав системы «медь–бериллий» (Cu–Be) с содержанием бериллия от 1,6 до 3 процентов. Также к таким бронзам причисляют системы «медь–бериллий–кобальт» (сокращенно – МКБ) и «медь–бериллий–никель» (МНБ). МКБ и МНБ могут содержать не более 0,8 процентов бериллия.
Особенность бериллийсодержащих бронз заключается в том, что с изменением температуры растворимость легирующих элементов, имеющихся в них, также изменяется. В твердом растворе при закалке из однофазной зоны отмечается образование повышенного числа атомов легирующей добавки (если сравнивать их количество при состоянии равновесия конкретной системы). Получающийся в результате этого процесса твердый пересыщенный раствор с точки зрения термодинамики является неустойчивым.
При малейшем изменении условий он распадается. С увеличением температуры процесс распада становится более интенсивным, с уменьшением – замедляется. Упрочняющий эффект зависит от величины дисперсности выделений, которые формируются при распаде указанного раствора.
2 Особые свойства системы медь–бериллий
Самым распространенным представителем бронз интересующего нас класса является сплав БрБ2, который принято называть высоколегированной бронзой (в ней присутствует порядка двух процентов легирующего бериллия). А вот композиции МКБ и МНБ часто именуют низколегированными бериллиевыми сплавами из-за относительно малого содержания в них Ве. Также востребованностью пользуется бронза марки БрВ2,5 (содержание легирующего компонента – 2,5 процента).
Можно выделить такие основные свойства описываемых сплавов:
Все эти свойства становятся еще лучше в тех случаях, когда бериллиевые сплавы подвергают закалке и другим видам термообработки (в частности, искусственному старению). Максимальной пластичности описываемые бронзы достигают после закалки, выполняемой при температуре около 775 градусов. В подобном состоянии сплав отличается легкостью деформирования.
Стандартная величина сопротивления (временного) распространенной композиции БрБ2 равняется 450 МПа. Она повышается практически вдвое при пластическом деформировании сплава на 40 %. Механические характеристики систем «медь–бериллий» становятся очень высокими после старения, которое производится следом за процессом закалки (например, сопротивление упомянутого сплава БрБ2 становится равным 1400 МПа).
Важные для промышленности свойства интересующих нас сплавов не ограничиваются указанными характеристиками. Кроме всего прочего, бронзы, в коих присутствует бериллий, обладают отличной теплостойкостью. Изделия из них функционируют без изменения своих возможностей при температурах до +340 °С. А при более высоких температурах (около +500°) механические показатели бериллиевых сплавов идентичны показателям алюминиевых и оловянно-фосфористых композиций при температуре эксплуатации +20°.
Рассматриваемые бронзы подходят для выпуска из них фасонных отливок хорошего качества. Но обычно такие сплавы изготавливаются в виде разнообразных полуфабрикатов, прошедших операцию деформирования (проволока, тонкая лента, полосы и так далее). Бериллиевые сплавы поддаются без особых проблем механической обработке (пайка, сварка, резка), правда, существуют и определенные ограничения на выполнения указанных операций.
Так, пайка бронз с бериллием по сравнению с обработкой иных композиций на основе меди считается более трудной.
Бериллиевые сплавы необходимо паять сразу же после того, как была выполнена их зачистка (механическая). При этом используется флюс и специальные серебряные припои. Заметим, что в применяемом флюсе обязательно должны присутствовать фтористые соли. В последние годы широкое распространение получила именно вакуумная пайка бронз под слоем флюса, гарантирующая уникальное качество соединения.
Электродуговая сварка бериллиевых сплавов сейчас почти не используется, что связано с их большим кристаллизационным температурным интервалом. А вот их роликовая, точечная, шовная сварка и сварка в инертной атмосфере освоены достаточно хорошо. Добавим, что особые механические свойства систем «медь–бериллий» не позволяют осуществлять сварочные работы после термической обработки бронз. Об этом обязательно нужно помнить, разрабатывая технологию их сварки.
3 В каких отраслях промышленности используются медно-бериллиевые сплавы?
Описываемые бронзы, имеющие уникальные свойства, применяются в тех промышленных сферах, где к деталям из них предъявляются повышенные требования. Процесс производства медно-бериллиевых композиций является достаточно дорогим, поэтому их используют только в «особых» случаях.
Наиболее активно они эксплуатируются в электронных и электрических изделиях:
Также без бериллиевых композиций нынче не обходится ни одно портативное электронное устройство, будь то ноутбук, планшетный компьютер, сотовый телефон или коммуникатор. Из сплавов меди и бериллия можно производить миниатюрные детали, которые как раз и требуются для указанных устройств.
Находят рассматриваемые бронзы применение и при изготовлении оборудования для добычи нефти, а также бурильных установок. Коррозионная стойкость, высокая антифрикционность и прочность – вот те свойства систем «Cu–Be», которые интересуют буровиков и нефтяников. Обычно из медно-бериллиевых сплавов производят вспомогательные бурильные приспособления, бурильные трубы и резьбовые соединения для них, опоры насосов для перекачки нефти.
Другие сферы применения сплавов на основе меди и бериллия:
Еще одна область применения бронз с бериллием – изготовление поршней агрегатов, которые используются для выполнения литейных операций под давлением, стенок оборудования для кристаллизации машин непрерывного литья заготовок и литьевого оборудования, кокилей для литья всевозможных сложных сплавов и металлов. В данном случае отпадает необходимость в дополнительной защите стенок указанных агрегатов с целью повышения времени их эксплуатации.