Данное исследование посвящено изучению воздействия основных элементов и легирующих добавок в составе бронзовых сплавов на микроскопическую структуру, а также анализу их механических и химических свойств. В ходе исследования зерна бронзы, распределение фаз и их взаимосвязь изучались с использованием современных аналитических методов (оптической и электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и других методов). Аналитические результаты предоставляют важные выводы, которые могут быть использованы в качестве научно обоснованных инновационных добавок для создания новых продуктов и технологий на основе бронзы в промышленных и художественных сферах. Данная работа является эффективным результатом научно-исследовательской деятельности, направленной на глубокое изучение металлургии, материаловедения и процессов технологического производства.
Ключевые слова: бронза, структурный анализ, сплав, легирующие добавки, термическая обработка.
Введение
Сплавы на основе меди, в частности оловянная бронза, благодаря своей высокой устойчивости к коррозии, хорошей теплопроводности и механической прочности широко применяются в различных отраслях промышленности. В частности, бронза используется для изготовления подшипников, шестерен, электротехнических деталей, манометров и других деталей, работающих при высоких нагрузках. Свойства бронзы как сплава напрямую зависят от ее состава и структурного устройства. Поэтому структурный анализ и глубокое изучение основных физико-механических свойств бронзы являются актуальной научной и практической задачей.
Техническое применение: Сплавы, полученные в результате смешивания меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, широко применяются в технологических сферах. Например, материал, образованный соединением меди и олова, известен под названием оловянная бронза.
Свойства оловянной бронзы: Оловянная бронза выделяется высокой стойкостью к трению, практически не ржавеет под воздействием воды и пара и легко поддается формовке. В процессе литья уровень расширения или усадки составляет менее 1 %. Поэтому данная бронза применяется для производства трущихся деталей, кранов, тройниковых механизмов и других механических деталей.
Влияние содержания олова: Механические свойства бронзы зависят от процентного содержания олова в ее составе. При достижении примерно 20 % содержания олова прочность материала увеличивается, но при дальнейшем добавлении прочность резко снижается. Кроме того, если содержание олова превышает 5 %, пластичность бронзы ухудшается.
Легирующие добавки: Для дальнейшего улучшения свойств оловянной бронзы в ее состав добавляют цинк, свинец, никель и некоторые другие элементы.
Алюминиевая бронза: Алюминиевая бронза превосходит оловянную бронзу по механической прочности, устойчивости к химическим воздействиям и текучести в жидком состоянии. Её свойства можно дополнительно улучшить с помощью термической обработки. Этот вид бронзы используется для производства различных втулок, шестерён, направляющих механизмов и других важных деталей.
Кремниевая бронза: Бронза, содержащая 3–4 % кремния, обладает лучшими механическими свойствами по сравнению с оловянной бронзой. Однако при литье из-за её состава может наблюдаться более глубокое проникновение материала в форму (или полное заполнение формы).
Для решения этой проблемы в кремниевую бронзу добавляют легирующие элементы, такие как цинк или свинец. Это улучшает процесс литья и последующую обработку материалов.
Бериллиевая бронза: Бериллиевая бронза представляет собой сплав, состоящий из 2 % бериллия и 98 % меди. После закалки и формирования она приобретает прочную и устойчивую структуру. Благодаря этим качествам, а также её пластичности, высокой свариваемости и удобству в обработке, бериллиевая бронза широко используется для изготовления пружин, мембран, инструментов, устойчивых к ударным нагрузкам, и других изделий.
Свинцовая бронза: В машиностроении свинцовая бронза является одним из наиболее популярных антифрикционных материалов, содержащих 30 % свинца и 70 % меди.
Экспериментальная часть
- Условия эксперимента:
— Образец: оловянная бронза (Cu — 88 %, Sn — 12 %)
— Оборудование: металлографический микроскоп, твердомер Бринелля, раствор NaCl (для коррозии)
- Металлографический анализ: Мы подготовили раствор для исследования бронзы следующим образом. Для приготовления 1 % раствора хлорида меди (CuCl₂) в хлористоводородной кислоте можно использовать следующий метод:
Оборудование и реактивы:
— Порошок хлорида меди (CuCl₂).
— Хлористоводородная кислота (HCl).
— Дистиллированная вода.
— Электронные весы.
— Мерный цилиндр.
— Штатив или мешалка.
Процесс:
- Расчёт: Для приготовления 1 % раствора необходимо рассчитать нужное количество хлорида меди. Например, для приготовления 100 мл раствора потребуется 1 грамм хлорида меди.
— Измерение: С помощью электронных весов измерьте необходимое количество хлорида меди (например, 1 грамм хлорида меди).
— Подготовка раствора HCl: Отмерьте 100 мл дистиллированной воды в мерном цилиндре и налейте её в ёмкость.
— Добавление хлорида меди в раствор: Осторожно добавьте измеренное количество порошка хлорида меди в ёмкость.
— Добавление хлористоводородной кислоты: Осторожно добавьте в раствор необходимое количество хлористоводородной кислоты. Количество кислоты должно быть достаточным для получения 1 % раствора. Этот процесс выполняется при соблюдении мер безопасности.
— Перемешивание: Хорошо перемешайте раствор с помощью штатива или мешалки. Хлорид меди перемешивается до полного растворения.
— Готовность раствора: После полного перемешивания и растворения хлорида меди раствор становится готовым.
Меры безопасности:
— Использование защитных перчаток и очков обязательно.
— Работая с хлористоводородной кислотой, необходимо быть внимательным и соблюдать правила безопасности.
— Подготовка раствора должна осуществляться в хорошо проветриваемом помещении.
Ход эксперимента: Гладкая поверхность была обработана химическим раствором. Затем структура была изучена с помощью микроскопа. Выявлены α- и β-фазы, их равномерное распределение было зафиксировано.
Механическое свойство — определение твёрдости: Твёрдость по методу Бринелля: 96 HB (среднее значение). Этот показатель демонстрирует сбалансированную твёрдость и эластичность материала.
Испытание на устойчивость к коррозии: Образец был погружён в 3 % раствор NaCl на протяжении 7 дней. На поверхности наблюдались минимальные признаки коррозии. Бронза показала себя как материал, устойчивый к коррозии.
Результаты и выводы:
Состояние после воздействия раствора:
Структура приобрела следующее состояние.
|
|
|
|
|
|
В структуре бронзы преобладает основная α-фаза, с меньшим количеством β-фазы, что определяет её физико-механические свойства. Изображения представлены в различных масштабах. Оловянная бронза является очень полезным материалом благодаря своим свойствам прочности и удобству обработки. Тест на устойчивость к коррозии подтвердил её химическую стабильность. Бронза подходит для применения в машиностроении, электротехнике, морской промышленности и искусстве.
Предложения:
— Провести анализ на основе сравнения различных видов бронзы (например, алюминиевой или бериллиевой).
— Глубоко изучить микроструктурные изменения через термическую обработку.
— Разработать композитные материалы на основе бронзы.
Литература:
- Materialshunoslik F.R Norxujayev T:2014
- https://uz.wikipedia.org/wiki/Bronza Daminov L.O Materialshunoslik va konstruksion materiallar texnalogiyasi uslubiy qo‘llanma ToshTDTU, 2023
- A. S. To‘raxonov. Metallshunoslik va termik ishlash o‘qituvchi 1976\
- С.Н Колесов Материаловедение и технологии конструкционных материалов 2004–351 с.
- http://srcyrl.glidlager.com/news/bronze-alloy-structure-53301157.html
