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.

Бериллиевая бронза

Бериллиевая бронза

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)

Бронза бериллиевая высоколегированная (БрБ2)

Сплавы, основу которых составляют бериллий и медь, отличаются следующими характеристиками:

  • исключительная электро- и теплопроводность, сопоставимые с аналогичными характеристиками чистой меди;
  • повышенная износостойкость, способность противостоять ползучести и усталости;
  • высокий предел упругости;
  • при ударах бериллиевые бронзы не выделяют искр;
  • исключительно высокая устойчивость к коррозии, твердость и показатель временного сопротивления.

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

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

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:

  • телекоммуникационного оборудования, монтажа оптико-волоконных сетей;
  • соединительных элементов, пружинных контактов;
  • разъемов гнездового типа, элементов интегральных микросхем.
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

Гаечный ключ взрывобезопасный из бериллиевой бронзы

Свойства сплавов на основе бериллия и меди позволяют применять их для производства следующих изделий.

  • Элементов электронных устройств, двигателей и других систем, использующихся для оснащения современных транспортных средств.
  • Деталей самолетов и различного оборудования, работающих в условиях переменных нагрузок и скачков температур. Бериллиевые бронзы используются для изготовления деталей шасси летательных средств, элементов навигационного оборудования, других ответственных изделий.
  • Электродов и сварочных стержней для оснащения оборудования контактной сварки. Целесообразность использования низколегированных бериллиевых бронз для производства подобной продукции обусловлена их исключительной жаропрочностью и электропроводностью. Важно и то, что электроды, изготовленные из данного материала, характеризуются длительным сроком эксплуатации по причине высокой износостойкости.

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.