Бериллиевая бронза: характеристики

Бериллиевая бронза – это сплав, который активно используется в производстве деталей различного назначения и не только. Его широкое применение обусловлено уникальными свойствами. Итак, что же представляет собой этот сплав, какие у него особенности?

Свойства бронзы

Перед тем как перейти к обсуждению основной темы, хотелось бы обратить внимание на характеристики и состав бронзы. Бериллиевый сплав все-таки отличается по свойствам. Чем является «изначальный» вариант?

Бронза – это сплав меди, которая представляет собой пластичный переходный металл розовато-золотистого цвета. Встречается в самородном виде чаще серебра, золота и железа.

Традиционно бронзой называются сплавы с добавлением олова. Также есть варианты с кремнием, свинцом, алюминием и прочими элементами. Есть только два исключения. Медь с цинком – это латунь. С никелем – мельхиор.

В зависимости от наличия добавочного металла и примесей, различают марки бронзы. Бериллиевая - самая прочная. Но об этом – поподробней.

Химический состав

Итак, бериллиевая бронза – это дисперсионно упрочняемый сплав. Его особенность заключается в температурной зависимости растворимости легирующих компонентов. В процессе закалки в твердом растворе выделяется избыточное количество их атомов (носителей свойств вещества).

В результате получается пересыщенный твердый раствор. Он является термодинамически неустойчивым, стремится к распаду, и чем выше температура – тем сильнее. А эффект упрочнения определяет дисперсность выделений, которые образовались при распаде.

Из сплавов системы Cu-Be чаще всего применяют бериллиевую бронзу БрБ2 (марка). В ней содержится около 2% данного вещества. Еще используются сплавы МНБ. В них содержится еще и никель, а процент бериллия равен 0.8%. Третий тип сплавов – МКБ. В них вместо никеля присутствует кобальт. Бериллий содержится в том же количестве. Первый сплав из перечисленных называют высоколегированным. Второй и третий – низколегированными.

Все они в закаленном состоянии имеют отличную пластичность и технологичность, высокие механические свойства в состаренном состоянии. Нередко их качества улучшают посредством пластической деформации.

Когда материал уместен?

Иногда без применения бериллиевой бронзы не обойтись. Использование данного материала является высокоэффективным, если нужно добиться:

• Отсутствия у конечного изделия ферромагнитных свойств и способности к образованию искр при ударах.
• Высокой электропроводности.
• Повышенных упругих и прочностных свойств.
• Высокой теплопроводности.
• Устойчивости к коррозии.

Все перечисленные характеристики становятся еще лучше, если сплав в конце подвергают закалке или термической обработке другого вида. Тому же искусственному старению, например.

А самый эффективный метод, используемый для достижения пластичности сплава, – это закалка, осуществляемая при температуре в 775 °C.

Использование в приборостроении

Оно является наиболее распространенным. Бериллиевая бронза применяется при производстве электронных, а также электрических деталей. В первую очередь это пружинные контакты, соединители, переключатели.

Также без нее не обходится производство оптиковолоконного телекоммуникационного оборудования. К данной категории относятся:

• Оптические передатчики.
• Предусилители.
• Микросхемы синхронизации и восстановления данных.
• Блоки преобразования последовательного кода в параллельный.
• Кабели.
• Параллельно-последовательные преобразователи.
• Лазерные формирователи.

Также бериллиевую бронзу используют для производства гнездовых разъемов для соединения интегральных систем с печатной платой.

И, поскольку с развитием технологий усложняется компьютерная и мобильная техника, электронные детали все миниатюризируются. Спрос на бронзо-бериллиевые сплавы повышается, поскольку именно они являются идеальным материалом для изготовления мелких, легких и надежных деталей. Во многих современных смартфонах, коммуникаторах, ноутбуках и планшетах они уже используются.

А компьютерные соединители, переключатели, пружины и прочие детали уже давно из них изготавливают. Оценочно в 1999 году в каждом ПК содержалось как минимум 2 грамма бериллия в составе бронз.

Автопромышленность

Еще одна сфера, в которой благодаря своим свойствам бериллиевая бронза часто применима. В частности, многие электронные детали моторных отсеков делают именно из нее. А еще из данного материала изготавливают электронные схемы систем безопасности многих автомобилей.

Поскольку степень компьютеризации и производство машин с каждым годом лишь растут, то и сплавов требуется больше.

Стоит отметить, что на долю автопромышленности приходится порядка 12% мирового потребления данного материала. Из него делают подшипники, втулки, детали узлов, комплектующие. Неудивительно, ведь его прочность значительно превосходит показатели латуни и сплавов, в которые добавляют кремний, олово, фосфор, хром и алюминий.

Нефтегазовая отрасль

И здесь задействована бериллиевая бронза. Характеристики данного сплава позволяют использовать его в производстве оборудования, предназначенного для бурения и нефтедобычи. Из него делают:

• Скользящие опоры нефтяных насосов.
• Резьбовые соединения колонн бурильных труб.
• Безискровые вспомогательные инструменты.
• Трубы.
• Детали насосов.
• Опоры буровых долот.

Особо ценится этот материал за высокую упругость. Если ударить по изготовленным из него деталям, то искра не возникнет. Это очень важно на столь опасных производствах, особенно при добыче и последующей транспортировке углеводородов. А чем является нефть? Ископаемым топливом, горючей жидкостью, состоящей из сложной смеси углеводородов и других химических соединений.

Авиастроение

Наверняка всем знакомы такие самолеты, как Boeing 787 и Airbus A380. В производстве их корпусов был использован бериллиевый сплав.

Дело в том, что это – идеальный материал для данных целей. У него намного более высокая твердость, прочность, износостойкость и несущая способность, чем у любого другого сплава. Он образует на поверхности корпуса стойкий, но тонкий слой окиси, которая оказывает действие самовосстанавливающейся смазки.

Также из этого сплава сделаны втулки, испытывающие повторяющийся контакт с поверхностью. Она должна постоянно оставаться гладкой, а значит и материал нужен такой, который не изнашивается. Логично, почему применяют бериллиевый сплав.

Плюс ко всему, у него отличные тепловые свойства - термическая стабильность и низкий коэффициент теплового расширения. Это важнейшие качества, учитываемы в аэрокосмическом строении в первую очередь. Сплавы должны выдерживать экстремальные температуры.

Кстати, еще один плюс материала – это его хорошая текучесть в расплавленном состоянии. Данное свойство делает его удобным для сложных отливок. Корпуса трубок Пито, например, включают в себя крайне тонкие литые конструкции. И их можно отлить лишь из хорошо текучего материала. И направляющие лопасти вертолетных турбин, к слову, тоже изготавливают из этих сплавов.

Контактная сварка

Это процесс, в ходе которого образуется неразъемное сварное соединение посредством нагрева металла током, проходящим через него, с дальнейшей пластической деформацией этой зоны под действием сжимающего усилия. То есть тоже техническая сфера. Здесь применение находят выполненные из бериллиевого сплава:

• Электроды. Проводники тока.
• Электрододержатели. Часть электросварочного аппарата, в которую вставляется электрод.

Срок их службы значительно выше, чем у тех компонентов, которые изготавливают из других сплавов (хромовых бронз, если быть точнее). Спектр применения широк. Вот, что сваривают с использованием компонентов из бериллиевой бронзы: проволоку, строительную арматуру, листовую углеродистую сталь, никель-хром-кремниевые сплавы, рельсы для магистральных железнодорожных путей и т.д.

Это действительно износостойкий материал. Компоненты, сделанные из него, могут работать с большими усилиями прижатия электродов, мощным током и высоким темпом. Они выдерживают большое количество сварок, поскольку у них повышенный модуль упругости, стойкость к знакопеременным нагрузкам и высокой температуре разупрочнения. А значит, не только электроды приходится реже менять – точность и прочность соединений увеличивается в несколько раз.

Литье сплавов и металлов

Это следующая сфера применения бериллиевой бронзы. По ГОСТу, ее разрешено использовать в плунжерах (поршнях) оборудования для литья под давлением. В том числе алюминия, в кокилях (многоразовые формы), в стенках кристаллизаторов и в установках непрерывной разливки.

Какие преимущества обсуждаемого материала здесь? Увеличенный срок службы, а еще отсутствие необходимости наносить на стенки и литейные формы дорогостоящее защитное покрытие.

Уникальные свойства

В наше время существует множество различных металлов и сплавов. Так что в заключение хотелось бы сказать о том, почему медный материал с добавлением бериллия ценится в перечисленных областях больше всего. Итак, этот сплав:

• Действительно упругий. Он буквально «пружинит».
• Очень долговечный. Десятилетиями будет сохранять свою изначальную твердость и соответствующий внешний вид.
• Легко поддается «совершенствованию». Временное сопротивление равно 450 Мпа, но его можно увеличить на 40%, лишь подвергнув деформированию, о котором говорилось ранее. Но вообще его реально довести и до 1400 Мпа.
• Своих свойств не меняет, даже если разогреть его до 340 °С. Если увеличить температуру до 500 °С, то его качества станут схожи с теми, которые свойственны алюминиевым, фосфорным, оловянным сплавам.

Кстати, чтобы сделать бериллиевый материал еще прочнее, иногда в него добавляют бор, магний, титан, никель, кобальт или редкоземельные металлы. В определенных случаях такие примеси допустимы и оправданы.