Бериллиевая бронза – сплав с массой уникальных свойств

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.

Фото бериллиевой бронзы

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.

На фото - бериллийсодержащие бронзы

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:

• повышенная тепло- и электропроводность, ненамного уступающая теплопроводности меди;
• отличный уровень противодействия износу, ползучести и усталости;
• высокий предел упругости;
• отсутствие искр при ударах;
• повышенная коррозионная стойкость, показатель твердости и временного сопротивления.

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.

Фото бериллиевого сплава с бронзой

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.

На фото - фасонные отливки из бериллиевой бронзы

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:

• в телекоммуникационной оптико-волоконной технике;
• в различных соединителях, пружинных контактах;
• в разъемах гнездового типа для создания интегральных схем.

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.

Фото сплава меди и бериллия

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:

• Автомобилестроение. В наши дни уровень компьютеризации транспортных средств постоянно повышается. И здесь трудно обойтись без миниатюрных и при этом максимально надежных деталей, которые делают из бериллийсодержащих композиций. В любом ТС они присутствуют в виде компонентов электронных схем различных автомобильных систем и элементов современных двигателей.
• Машино- и авиастроение. Бронзы в данных отраслях незаменимы для конструкций, которые эксплуатируются в условиях переменных температур и нагрузок. К таковым относят элементы шасси летательной техники, навигационные приборы самолетов, ответственные компоненты машин и механизмов.
• Контактная сварка. Высокая электропроводность и жаропрочность бериллийсодержащих сплавов (такие свойства особенно присущи низколегированным бронзам) обуславливают их востребованность при производстве электродержателей и сварочных стержней, которые характеризуются длительным сроком эксплуатации. Такие электроды рекомендованы для соединения железнодорожных рельс, стали в листах, любых видов арматуры и проволоки.

На фото - бериллийсодержащий сплав

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.