КОЛОКОЛОЛИТЕЙНАЯ БРОНЗА
BELL CASTING BRONZE

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, содержащих в качестве основы медь с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования при производстве различной колокололитейной продукции судового, церковного и сувенирного назначения.
Известны медные сплавы, базирующиеся на системе Cu-Sn, которые находят применение в литейном производстве судового и энергетического машиностроения (например, бронзы марок Бр08Ц4, БрОЦ4-3, Бр010Ф), а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе. Однако известные составы не отвечают предъявляемым требованиям по основным физико-механическим, технологическим свойствам, обеспечивающим высокое качество литого металла и, соответственно, весь комплекс акустических характеристик и мелодичность звучания создаваемой колокололитейной продукции.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является оловянная бронза марки Бр010Ц2 [ГОСТ 613-79], содержащая в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, мас.%:
Олово
9,0-11,0
Цинк
1,0-3,0
Железо
≤0,3
Сурьма
≤0,3
Фосфор
≤0,05
Кремний
≤0,02
Медь
Остальное
Данную марку бронзы в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации рекомендуется использовать как литейный конструкционный материал в различных отраслях промышленности и народного хозяйства при серийном производстве изделий общетехнического назначения, в т.ч. судовой, энергетической и нефтехимической трубопроводной арматуры (паровой, водяной и др.), работающей в коррозионно-активных влажных средах.
При этом известному сплаву свойственен весьма широкий интервал кристаллизации, что способствует развитию процессов дендритной ликвации и образованию различных ликвационных зон с формированием локальных неоднородностей по химическому и фазовому составу в межосевых дендритных микрообъемах отливки, а также других ликвационных дефектов (раковин, пор и т.д.). Возрастающий в этих условиях уровень усадочных напряжений способствует росту усадочных деформаций и приводит к образованию в кристаллизующемся металле значительного количества горячих трещин (горячеломкость), что существенно снижает запас его пластичности в температурном интервале хрупкости и заметно ухудшает такую важную технологическую характеристику кристаллизующегося расплава, как трещиноустойчивость.
Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических свойств в процессе длительной эксплуатации, что не обеспечивает требуемую эксплуатационную надежность и долговечность литой акустической конструкции.
Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов, а также другой нормативно-технической документации, содержание в медных сплавах-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его частотных характеристик звучания, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.
Технической задачей изобретения является создание колокололитейной бронзы, обладающей меньшей склонностью к дендритной ликвации и структурной анизотропии, улучшенным комплексом основных физико-механических свойств сложнопрофильной продукции, который обеспечивает требуемый уровень качества литого металла и, как следствие, весь заданный спектр акустических характеристик проектируемой конструкции.
Техническим результатом данного решения является улучшение спектра акустических характеристик сложнопрофильной конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в состав колокололитейной бронзы, содержащей олово, цинк, железо, фосфор, сурьму и медь, дополнительно введены бериллий, церий, серебро при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Олово
18,0-20,0
Цинк
0,1-0,8
Железо
0,03-0,15
Фосфор
0,01-0,05
Ббериллий
0,01-0,05
Церий
0,01-0,05
Серебро
0,005-0,01
Сурьма
0,01-0,05
Медь
Остальное
При этом введено ограничение суммарного содержания ряда примесных и модифицирующих элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование оптимального структурного состояния литого металла, во многом определяющего требуемый уровень основных физико-механических и, в первую очередь, упругих свойств и, как следствие, весь комплекс акустических характеристик и качество музыкального звучания литой сложнопрофильной конструкции в условиях длительной круглогодичной эксплуатации.
В частности:
- суммарное содержание сурьмы и фосфора не должно превышать 0,08%;
- суммарное содержание бериллия и церия не должно превышать 0,08%.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемую технологичность и высокое качество металла фасонных отливок в процессе художественного литья, а также в крупногабаритных отливках с резким переходом от толстых сечений отдельных элементов конструкции к более тонким.
Введение в заявляемый состав микролегирующих и модифицирующих добавок бериллия, церия и серебра в указанном соотношении с другими элементами и, в первую очередь, оловом и медью уменьшает температурный интервал кристаллизации, что способствует значительному снижению склонности расплава к дендритной ликвации, подавлению образования горячих трещин и газоусадочной пористости, а также существенно уменьшает развитие анизотропии основных физико-механических свойств литого металла.
При этом, как показали исследования, происходит твердорастворное упрочнение и более равномерное распределение легирующих элементов, избыточных фаз и неметаллических включений по всему сечению фасонной отливки, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается плотность металла и возрастает прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает необходимое повышение упругих характеристик и эксплуатационной надежности отливаемой конструкции. Снижается склонность сплава к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность в условиях современного колокололитейного промышленного производства, включая художественное оформление литой продукции в виде нанесения рельефного декоративного орнамента или текстовой надписи.
Введение бериллия, церия и серебра вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных свойств металла, определяющих частотный спектр заданных акустических характеристик, включая чистоту и музыкальный тон звучания отливаемой конструкции.
Металл выплавлялся на современном металлургическом оборудовании - высокопроизводительных индукционных печах типа ИСТ с последующей разливкой в литейные формы.
Модифицирование бронзы микродобавками серебра в указанном соотношении с оловом и церием улучшает структурную стабильность сплава, способствует формированию при кристаллизации и охлаждении отливки в достаточном количестве мелкодисперсных интерметаллидных фаз, равномерно распределенных по всему сечению сложнопрофильной отливки, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в межосевых пространствах дендритов и существенно уменьшает анизотропию механических свойств литого металла. При этом возрастает уровень упругих свойств бронзы и улучшаются акустические характеристики отливаемой конструкции.
Фрактографичсский анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемой бронзе доля вязкой составляющей в зоне разрушения литого металла заметно возрастает по сравнению с известным составом и существенно повышает долговечность работы колокола в условиях круглогодичной эксплуатации.
Полученный более высокий уровень физико-механических и технологических характеристик колокололитейной бронзы обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, обеспечивающих чистоту металла по остаточным вредным примесям - сурьме и фосфору.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Химический состав исследованных материалов
Состав
Условный № состава
Содержание элементов, масс.%
Sn
Zn
Fe
P
Be
Се
Ag
Sb
Sb+P
Be+Ce
Cu
Заявляемый
1
18,0
0,1
0,03
0,01
0,01
0,05
0,005
0,03
0,04
0,06
остальное
2
19,0
0,5
0,08
0,03
0,03
0,01
0,008
0,05
0,08
0,04
-"-
3
20,0
0,8
0,15
0,05
0,05
0,03
0,01
0,01
0,06
0,08
-"-
Известный
4
11,0
2,0
0,3
0,05
-
-
-
0,3
0,35
-
-"-
Таблица 2
Основные физико-механические и технологические свойства исследованных составов бронзы
Состав
Условный № состава
Механические свойства при растяжении
Модуль нормальной упругости,Е·10<sup>4</sup>
Число Лоренца, L<sub>o</sub>·10<sup>-8</sup>
Температурный интервал кристаллизации,Δt<sub>kp</sub>
Линейная усадка,ε<sub>1</sub>
σ<sub>в</sub>
δ
НВ
МПа
%
МПа
МПа
Вт·Ом/°С
°C
%
Заявляемый
1
260
9
170
13,8
2,44
130
0,8
2
280
8
180
13,9
2,45
130
0,8
3
290
6
200
14,0
2,48
140
0,9
Известный
4
230
5
150
13,1
2,51
160
1,1
Примечание
1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку.
2. Число Лоренца (L<sub>o</sub>), как важная структурно-чувствительная характеристика, отражающая качество металла, определялось по методике [11, 12].
3. Литейные свойства бронзы, в том числе температурный интервал кристаллизации (Δt<sub>kp</sub>) и линейная усадка (ε<sub>1</sub>), характеризующие технологичность заявляемой композиции при производстве сложнопрофильных и фасонных отливок в процессе художественного литья, а также крупногабаритных отливок с резким переходом от толстого сечения отдельных элементов конструкции к более тонкому, определялись на технологических пробах по стандартным методикам (ГОСТ 16817-71).