Бериллиевая бронза: состав, свойства и применение

В нашем обзоре мы подробнее остановимся на особенностях и физико-химических параметрах медь-беррилиевого сплава, больше известного как бериллиевая бронза. Расскажем о физических и химических характеристиках, а также области применения этого уникального состава.

Бериллиевая бронза – это медь-беррилиевый сплав, включающий от 0,5 до 3% бериллия, в ряде случаев возможно добавление иных примесей. Бериллиевая бронза отличается:

1. Повышенной плотностью и крепостью в сочетании с немагнитными характеристиками и полным отсутствием искровыделения.
2. Она способна подвергаться любым типам обработки — разрезанию и формовке.
3. Сплав повсеместно используется для изготовления инструментов, в том числе и музыкальных, а также высокоточных приборов и пуль для огнестрельного оружия.
4. Нашел свое применение медь-бериллий и в воздушно-космических технологиях.

Бериллиевая бронза относится к группе так называемых дисперсионно упрочняемых составов. Их отличительной характеристикой является зависимость степени растворимости легирующих ингредиентов от нагрева.

При выполнении закалки из однофазного участка в твердом веществе формируется чрезмерное число атомов основного легирующего компонента в сравнении с равновесным состоянием подобной системы. Получившийся концентрированный твердый раствор отличается термодинамической неустойчивостью и стремлением к распаду, с повышением уровня температуры этот процесс активируется. Эффект уплотнения объясняется дисперсностью выделений, полученных в результате распада веществ.

Химическая формула бериллиевой бронзы – БрБ2, ее состав подробно прописан в действующем ГОСТ.

Сплав включает такие ингредиенты:

• медь 97-98%;
• бериллий 1,9-2,1%;
• никель 0,2-0,5%;
• менее 0,5% добавок.

Чаще всего используются медь-бериллиевые составы, содержащие 2% бериллия, а также медь-бериллий-кобальтовые сплавы, где процентное присутствие бериллия не превышает 0,8%. Первый сплав получил название высоколегированной бериллиевой бронзы, второй относят к группе низколегированных марок.

Бериллиевая медь обладает следующими физико-химическими характеристиками.

1. Завышенная электро- и теплопроводность. По этим параметрам вещество лишь ненамного уступает меди.
2. Повышенный предел упругости.
3. Отсутствие искровыделения при механических ударах.
4. Высокие параметры коррозийной стойкости, твёрдости и временного сопротивления.

Все эти характеристики максимально проявляются для всех моментов, когда бериллиевая бронза подвергается разнообразным способам обработки и закалки. К примеру, при искусственном состаривании предельной пластичности такие вещества достигают после выполнения закалки, которая производятся при температуре примерно 770 градусов — в этом состоянии бериллиевая бронза отличается исключительной легкостью.

Типовое сопротивление вещества соответствует 450 МПа. Этот параметр возрастает в 2 раза при процессах пластической деформации сплава на 35-50%. Как следствие, после старения, которое выполняется сразу же по завершении процесса закалки, механические свойства бериллия становятся исключительно высокими.

Принципиальные для промышленности параметры медь-бериллиевого состава далеко не ограничиваются перечисленными. Все бронзовые сплавы, в структуру которых входят бериллий, характеризуются высокой теплостойкостью — изделия, выполненные из них, могут функционировать без изменений своих возможностей при температурах до 340 градусов тепла. А при нагреве до 500 градусов механические свойства и плотность любых бериллиевых бронз становятся полностью идентичны по своим показателям алюминиевым, а также оловянно-фосфоритным композициям при стандартной температуре эксплуатации около +20 градусов.

Такое свойство позволяет использовать бериллиевую бронзу для производства фасонных отливок высочайшего качества.

Бериллиевые сплавы с легкостью поддаются любой мехобработке (резка, пайка и сваривание). Хотя имеются некоторые ограничения на проведение перечисленных манипуляций. Так, любые сплавы бериллия следует паять сразу же по завершении их механической зачистки. При этом обязательно следует использовать серебряный припой, а также флюс. Важно, чтобы в самом флюсе непременно присутствовали соли фтора. В последние годы большое распространение получила так называемая вакуумная пайка — её проводят под толстым покрытием из флюса. Таким образом, обеспечивается уникальное качество изделия.

А вот электродуговую сварку в наши дни практически не применяют при работе с бериллиевой медью, поскольку она имеет значительный кристаллизационный термический интервал. Сварки шовного, а также точечного и роликового типов в инертных средах освоены в достаточно полном объеме. Стоит добавить, что специфические механические характеристики материала не дают выполнять сварочные работы сразу после термообработки бронзы — об этом непременно следует помнить, продумывая технологию их обработки.

Отдельного внимания заслуживает такой показатель, как скорость охлаждения. Этот показатель должен быть предельно резким, чтобы и предотвратить распад пересыщенного твердого состава. Именно поэтому при подборе рабочих закалочных сред в первую очередь стоит исходить из показателей критической скорости. Эти данные подтверждают, что в ходе закалки бронзы максимальные скорости охлаждения должны находиться в коридоре 500—250 градусов.

Замедленные процессы на данном интервале влекут раннее выделение упрочнителя и вызывают снижение способности к дальнейшему отвердению. Критическая скорость охлаждения, которая позволяет добиться оптимального сочетания физико-технических характеристик, соответствует 30-60 г/секунду для меди с добавлением бериллия. Чтобы добиться нужного значения, сплав обычно закаляют в воде. Для того чтобы сократить параметры критической скорости, в сплав обычно вводят немного кобальта. Минимальные добавки такого металла вызывают повышение стойкости переохлажденного раствора. Аналогичным образом на стойкость бронзы могут повлиять магниевые примеси.

Визуально бериллиевая бронза выглядит как цветной сплав, который совместно используется при изготовлении пружинящих элементов, проволоки, прутков и некоторых иных элементов, от которых требуется сохранение конфигурации. При частых деформациях и постоянных перегрузках такая проволока имеет повышенную электропроводимость, её используют в низкочастотных контактах для изготовления электрических соединителей.

Крепкая немагнитная и при этом не искрящаяся бериллиевая медь нашла широкое применение при изготовлении плоскогубцев, зубил ножей, молотков и гаечных ключей. Сплав оптимален для выполнения манипуляций с некоторыми взрывоопасными веществами, к примеру, на зерновых элеваторах, буровых вышках или в угольных шахтах.

Распространено применение сплава для криогенного оборудования, применяемого при самых сниженных температурах. Например, рефрижераторов. Актуальность использования медь-бериллия в данной сфере объясняется её крепостью и повышенной теплопроводностью в данном температурном диапазоне.

Используют состав для производства огнестрельных пуль. Хотя подобное применение достаточно необычно, так как пуля из стали стоят дешевле и при этом имеют довольно схожие характеристики. Проволока, выполненная из медь-бериллия, выпускается сразу в нескольких формах. Она может быть фигурной либо плоской, округлой либо квадратной, в продаже представлены разные прямых пластов, а также катушки или мотки.

Интересная информация о бериллии представлена в следующем видео.