Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии (стр. 4 из 5)
Диаграмма состояния системы Cu–Be
Закалка с 800 °С фиксирует пересыщенный α–твердый раствор, из которого в процессе старения при 300–350 °С выделяются дисперсные частицы CuBe, образуя регулярную, так называемую квазипериодическую структуру.
Электронно-микроскопическое изображение бериллиевой бронзы после сгорания (регулярное расположение выделений)
После закалки свойства Be бронзы БрБ2: σв = 500 МПа, δ = 30%, после старения – σв = 1200 МПа, δ = 4%.
Be бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широком интервале температур, в том числе в криогенных условиях. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии.
Bе бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали (например, ручной инструмент в нефтяной промышленности).
Неискрящие и немагнитные инструменты Cu-Be сплава
Литейные Be сплавы (ЛБС), состав которых приведен в таблице «Химические составы (%, остальное – Be) литейных Be сплавов, используют для деталей корпусов оснований, рам, кронштейнов и др. Be сплавы характеризуются высокими значениями теплоемкости, которые в 1,6 раза выше, чем у сплавов Al. Теплопроводность и температуропроводность сплавов лишь незначительно уступает литейным Al сплавам.
Совокупность теплофизических характеристик Be сплавов в целом выгодно отличает их от других материалов (например, силуминов) и определяет высокую размерную стабильность в условиях возникновения температурных градиентов при эксплуатации изделий.
Коррозионная стойкость Be сплавов находится на высоком уровне. Анодная оксидированная пленка на поверхности и лакокрасочные покрытия дополнительно обеспечивают надежную защиту сплавов ЛБС от коррозии. При этом Ве бронзам присуща также высокая электропроводность.
Механические свойства литейных Be сплавов при комнатной температуре приведены в таблице «Механические свойства литейных Be сплавов», а свойства при различных температурах испытания – в таблице «Механические свойства Be сплавов при различных температурах».
Химические составы (%, остальное – Be) литейных бериллиевых сплавов
| Сплав | Al | Ni | Mg | Cu | Zr, Sc, Y, Gd, РЗМ | Примеси, не более | ||||
| Si | Fe | Mn | Ti | O2 | ||||||
| ЛБС-1 | 24–34 | 3–6 | – | – | 0,06–0,21* | 0,1 | 0,15 | 0,1 | 0,05 | 0,1 |
| ЛБС-2 | 36–24 | 3,5–4,5 | 0,6–0,8 | – | 0,03–0,12** | 0,1 | 0,15 | 0,1 | 0,05 | 0,1 |
| ЛБС-3 | 30–34 | – | 0,1–0,6 | 6–8 | 0,05–0,1 | 0,1 | 0,15 | – | – | 0,1 |
Механические свойства литейных бериллиевых сплавов
| Свойство | ЛБС-1 | ЛБС-2 | ЛБС-3 |
| σв, МПа | 220–250 | 250–320 | 270–280 |
| σ0,2, МПа | 180–220 | 220–270 | 250–270 |
| δ, % | 2–3 | 2–3 | 1,1–1,3 |
| ψ, % | 2–3 | 2–3,5 | – |
| KCU, МДж/м2 | 0,025–0,035 | 0,033–0,040 | 0,025–0,045 |
| E, ГПа | 200 | 200 | 200 |
Механические свойства бериллиевых сплавов при различных температурах
| Свойство | Сплав | Температура испытаний, °С | |||||
| –100 | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | ||
| σв, МПа | ЛБС-1 | 255 | 225 | 186 | 147 | 112 | – |
| ЛБС-2 | 274 | 255 | 235 | 176 | 118 | 70 | |
| σ0,2, МПа | ЛБС-1 | 235 | 196 | 145 | 120 | 103 | – |
| ЛБС-2 | 245 | 216 | 170 | 140 | 108 | 60 | |
| δ, % | ЛБС-1 | 2,8 | 2,4 | 2,5 | 2,5 | 1–2,4 | – |
| ЛБС-2 | 2,0 | 2,1 | 2,1 | 2,2 | 3,0 | 4,0 | |
Деформированные Be сплавы обладают высокой жесткостью и низкой плотностью. Эти сплавы являются перспективными для использования в некоторых элементах самолетных двигателей. Для повышения жаропрочных свойств Be используется сложное последовательное легирование.
На первом этапе выбирают оптимальный бинарный сплав.
Механические свойства двойных сплавов (остальное – Be)
| Содержаниелегирующих элементов, % | Средний размер зерна, мкм | σв, МПа | Hμпри 20 °С | |
| 20 °С | 500 °С | |||
| 6,7 Cu | 124 | 256 | 146 | 198 |
| 2,4 Ag | 186 | 282 | 209 | 215 |
| 5,8 Ni | 160 | 346 | 275 | 247 |
| 1,7 Co | 96 | 301 | 218 | 247 |
| 0,2 Fe | 347 | 307 | 125 | 180 |
Из рассмотренных двойных систем сплавы системы Be–Ni характеризуются наиболее высокими механическими свойствами как при комнатной температуре, так и при 500 °С. Ni сплав, содержащий 2% Ве, используется также для высокотемпературных пружин, зажимов, мехов и электрических контактов.
Дальнейшее упрочнение осуществляется введением Ti, образующего высокопрочные интерметаллиды TiBe12.
Влияние Ti на прочность сплавов системы Be–Ni показано на графике.
бериллий элемент биологический сплав
Влияние Ti на прочность сплавов системы Be–Ni–Ti при 20 °С и в зависимости от содержания Ni: 1 – 4%; 2 – 6%; 3 – 8% (по И.Н. Фридляндеру)
На основе системы Be–Ni разработан сплав, имеющий марку ВБД-1 при изготовлении из литой заготовки и ВБД-1П при изготовлении из порошков со следующим химическим составом: (7,5–8,5%) Ni; (0,8–1,2%) Ti; остальное – Be.
Механические свойства сплава ВБД-1П приведены в таблице.
Механические свойства сплава ВБД-1П
| Тисп, °С | Состояние | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | KCU, МДж/м2 |
| 20 | Деформированное | 500–550 | 450–490 | 0,8–1,5 | 0,01 |
| 500 | Отожженное | 350–370 | 290–310 | 2,5–6,0 | 0,03 |
| 700 | То же | 150–170 | 100–120 | 14–18 | – |
Предел выносливости сплава ВБД-1П при 500 °С в два раза выше, чем у Ве; удельная жесткость (E/γ) при 20 °С ниже, а при 500 °С – на 10% выше, чем у Ве. Модуль упругости составляет 250 ГПа. Высокая жесткость сохраняется при температурах до 700 °С. Предел ползучести и длительная жаропрочность сплава ВБД-1П при 400 °С такие же, как у деформированного Ве при 300 °С.
Интерметаллические соединения Ве с Ta, Nb, Zr, и др. могут использоваться до температур ≈ 1650oС и имеют исключительно высокую твердость и стойкость против окисления.
Одна из важнейших областей применения Ве бронз – это изготовление пружин, мембран, сильфонов, применяемых в точном приборостроении. Стоит отметить, что из-за высокой стоимости Ве эти бронзы используют лишь в изделиях небольшого сечения, имеющих особое значение.
Комплекс физических, химических и механических свойств позволяет отнести Ве к наиболее ценным конструкционным материалам, несмотря на ряд недостатков (хрупкость, хладноломкость). Высокие прочностные характеристики в сочетании с малой плотностью, относительно высокой температурой плавления, хорошей коррозионной стойкостью делают Ве и его соединения с тугоплавкими металлами в ряде случаев незаменимым конструкционным материалом для нужд авиационной, ракетной техники и в приборостроении. Находит достаточно широкое применение в конструкциях, к которым предъявляются требования высокой жесткости и легкости.
Еще несколько примеров применения Ве и его сплавов и соединений:
· Улучшение качества поверхности деталей машин и механизмов – для этого готовое изделие выдерживают в порошке Ве при 900–1000° С (бериллизация стали), и его поверхность делается тверже, чем у лучших сортов закаленной стали.
· Изготовление ядерных ректоров (Ве является одним из наиболее эффективных замедлителей и отражателей нейтронов из-за малого эффективного сечения захвата тепловых нейтронов и удовлетворительной стойкости в условиях радиации в сочетании с малой атомной массой), материал для окошек в рентгеновских трубках (Ве пропускает рентгеновские лучи в 17 раз лучше, чем Al и в 8 раз лучше, чем линдемановское стекло)
· Ве – интенсивный источник нейтронов при бомбардировке α-частицами, на этом свойстве основано использование Ве в нейтронных источниках на основе Ra, Po, Ac, Pu. Смесь соединений Ra и Ве долгое время использовалась как удобный лабораторный источник нейтронов, образующихся по ядерной реакции: 9Be + 4He = 12C + 1n. В 1932 при использовании именно этой смеси английским физиком Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон.
· Эффективный раскислитель в литейном деле.
· BeO обладает большой химической устойчивостью и теплопроводностью, сочетающейся с высоким электрическим сопротивлением и термостойкостью, что позволяет применять её в качестве огнеупорного материала для изготовления тиглей, футеровочных материалов, керамических покрытий и т.д.
· Бериллийорганические соединения используют как катализаторы димеризации и полимеризации олефинов, а также для получения металлического Ве высокой чистоты.
· Ве и некоторые его соединения рассматриваются как перспективное твёрдое ракетное топливо с наиболее высокими удельными импульсами.
Подготовка Ве и его сплавов под гальванопокрытия (травление)
Подготовка деталей ведется следующим образом:
1. Обработка абразивом;
2. Погружение в 10 –15%-ный раствор H2SO4 на 5 –10 с и на 2 – 5 мин в раствор NaOH (450 – 500 г./л) и ZnO (100–150 г./л);
3. Промывка в холодной воде;
4. Стравливание Zn в 30 –35%-ном растворе HNO3;
5. Повторная промывка;
6. Цинкатная обработка и ударное меднение в электролите (в г/л): NaCu(CN)2 – 35–40; NaCN (свободный) – 3 – 5; Na2CO3 – 7–10. В первую минуту iк = 2,5 ÷ 3 А/дм2, в последующие 10 мин iк = 1,0 ÷1,5 А/дм2. Детали загружают под током.