Берилієва бронза

Найбільше застосування знайшли сплави системи «Cu-Be», до яких належить дисперсно-зміцнюваний сплав БрБ2 за ГОСТ 18175-78[1] (CuBe2, alloy 25, C 17200 за специфікаціями інших країн)[2], що містить близько 1,8…2,1% берилію, а також сплави системи МНБ (мідь-нікель-берилій або CuNi2Be, alloy 3, C17510 за іншими специфікаціями) та МКБ (мідь-кобальт-берилій чи CuСо2Be, alloy 10, C17500), з вмістом до 0,8% берилію. Сплав БрБ2 також називають високолегованою берилієвою бронзою, а сплави типу МНБ та МКБ — низьколегованою берилієвою бронзою. Також користується попитом високолегована берилієва бронза марки БрБ2,5 за ТУ 48-21-96-72[3] (із вмістом легувального компонента 2,3…2,6%, близький зарубіжний аналог C82000).

Особливість формування структури берилієвмісних бронз полягає в тому, що зі зміною температури розчинність легувальних елементів, наявних в них, також змінюється. За температури, нижчої від 300°С розчинність берилію в міді не перевищує 0,2% (гранична розчинність берилію в міді спостерігається за температури 866°С і становить 2,7%), але загартування від 800 °С фіксує перенасичений розчин. У твердому розчині при загартуванні з однофазної зони спостерігається утворення підвищеного числа атомів легувальної добавки (порівняно з їх кількістю у стані рівноваги конкретної системи). Твердий пересичений розчин, що отримується в результаті гартування з погляду термодинаміки є нестійким. При найменшій зміні умов він розпадається. При збільшенні температури процес розпаду стає інтенсивнішим, із зниженням температури — сповільнюється. Ефект зміцнення залежить від величини дисперсності виділень, які формуються при розпаді зазначеного розчину.

Загартування берилієвих бронз зазвичай здійснюють від температури 750…790 °С, старіння — при 300…325 °С. Добавки нікелю, кобальту або заліза сприяють уповільненню швидкості фазових перетворень при термічній обробці, що значно полегшує технологію гартування і старіння. Крім того, нікель підвищує температуру рекристалізації, а манган може частково замінити дорогий берилій.

Слід виділити такі основні властивості цих сплавів:

• підвищена тепло- і електропровідність, що ненабагато поступається властивостям міді;
• високий рівень стійкості до зношування, повзучості та втоми;
• висока границя пружності;
• відсутність іскор при ударах;
• підвищена корозійна стійкість, висока твердість та границя міцності.

Усі ці властивості покращуються після гартування чи інших видів термооброблення (зокрема, при штучному старінні). Максимальної пластичності берилієві бронзи досягають після гартування від температури близько 775 °С.

Так, безпосередньо після гартування бронза БрБ2 має границю міцності близько σ_в = 550 МПа при відносному видовженні близько δ = 25%, а після відпуску (старіння) границя міцності підвищується приблизно до 1250 МПа, границя пружності становить близько 600 МПа, але відносне видовження знижується до 3-5%.

Крім того, бронзи, в яких присутній берилій, характеризуються відмінною теплостійкістю. Вироби з них функціонують без зміни своїх механічних характеристик при температурах до 340 °С. А при вищих температурах (близько 500°С) механічні показники берилієвих сплавів ідентичні показникам алюмінієвих і олов'яно-фосфористих композицій за температури експлуатації у 20 °C.

Збільшення вмісту берилію до 2,5% підвищує границю пружності, але суттєво збільшує вартість сплаву (бронза БрБ2,5). Легування бронзи із вмістом 1,85-2,1% берилію, додатково титаном 0,1…0,25% та нікелем 0,2…0,4% (бронза Бр БНТ 1,9 за ГОСТ 18175-78) дозволяє отримати границю пружності таку ж як у дорожчої бронзи БрБ2,5 (близько 800 МПа). Мікролегування берилієвих бронз бором (0,01%) або магнієм (0,1%) сприяє подальшому підвищенню границі пружності й зменшенню непружних ефектів.

Шляхом термомеханічного оброблення (загартування + холодна пластична деформація зі ступенями обтискання до 50% + старіння) можна підвищити границю пружності берилієвих бронз на 20…40%, наприклад, у бронзи Бр БНТ1,9 — до 1000 МПа.

Безіскровий інструмент з берилієвої бонзи

Вставка з берилієвої бронзи у прес-формі для лиття під тиском АБС-пластику

Берилієва бронза БрБ2 (з 2% Ве) має високу хімічну стійкість, добре зварюється, легко ріжеться. З цієї бронзи виготовляють пружини, мембрани, деталі для роботи в умовах зношування в агресивних середовищах, пружні контакти, безіскрові інструменти для ведення вибухонебезпечних гірничих робіт тощо.

Такі бронзи підходять для випуску з них фасонних виливків хорошої якості. Але зазвичай ці сплави поставляються у вигляді різноманітних напівфабрикатів, що пройшли операцію деформування (дріт, тонка стрічка, смуги тощо)[4][5]. Берилієві бронзи легко піддаються обробці паянням, зварюванням, різанням, однак, існують і певні обмеження на здійснення цих операцій.

Берилієві сплави необхідно паяти відразу ж після того, як була виконана їх зачистка (механічна). При цьому використовується флюс з вмістом фтористих солей та спеціальні срібні припої. В останні роки поширення набуло вакуумне паяння бронз під шаром флюсу, що гарантує унікальну якість зварного з'єднання.

Електродугове зварювання берилієвих сплавів майже не використовується, що пов'язане з їх великим кристалізаційним температурним інтервалом, зате роликове, точкове, шовне зварювання і зварювання в інертній атмосфері освоєні досить добре та обов'язково повинно виконуватись до термічного оброблення.

Завдяки хорошій електропровідності та пружним властивостям берилієві бронзи знайшли застосування в електронних та електричних виробах для виготовлення високонадійних контактів, роз'ємів, гнізд для монтажу інтегральних компонентів тощо і які використовуються в автомобіле- та авіабудуванні. Без берилієвих сплавів не обходиться жодний портативний електронний пристрій (ноутбук, планшетний комп'ютер, мобільний телефон, комунікатор тощо), де з цих сплавів виготовлені мініатюрні деталі.

Знаходять застосування такі бронзи й при виготовленні обладнання для видобутку нафти, а також бурильних установок. Корозійна стійкість, висока антифрикційна спроможність та міцність — це властивості систем «Cu-Ве», які необхідні бурильникам та нафтовикам. Зазвичай з мідно-берилієвих сплавів виробляють допоміжні бурильні пристосування, бурильні труби та нарізеві з'єднання для них, опори валів насосів для перекачування нафти тощо.

Завдяки високим електропровідності й жароміцності низьколеговані бронзи використовуються у виробництві електротримачів зварних стрижнів зварювальних апаратів.

Ще одна область застосування бронз з берилієм — виготовлення поршнів агрегатів, що використовуються для виконання операцій лиття під тиском, стінок обладнання для кристалізації машин безперервного лиття заготовок та литтєвого обладнання, кокілів для лиття різноманітних складних сплавів і металів. У даному випадку відпадає необхідність додаткового захисту стінок зазначених агрегатів з метою підвищення часу їх експлуатації.

• Бронза
• Мідь
• Берилій
• Сплави берилію

• Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — М.: Металлургия. — 1981. — 414 с.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение. −1980. — 493 с.
• Справочник по электротехническим материалам. / Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. — Т. 3. — 3-е изд., перераб. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. — 728 с.

• Kairav Domadia Beryllium-Copper (англ.)
• Standards and properties — Copper and copper alloy microstructures — Copper Beryllium на сайті «Copper Development Association Inc.» (англ.)
• Copper beryllium and nickel beryllium datasheets на сайті компанії «Lamineries MATTHEY SA» (англ.)