Оловянная бронза 10-5 (ZCuSn10Pb5)

Вот этот сплав, о котором все слышали, но многие до сих пор путают с простой латунью или другими бронзами. ZCuSn10Pb5 — это не просто марка, это целая история про баланс между износостойкостью, обрабатываемостью и, что часто упускают, литейными свойствами. Часто заказчики просят ?бронзу?, подразумевая что-то универсальное и дешевое, а потом удивляются, почему деталь не держит ударные нагрузки или плохо обрабатывается на станке. Сразу скажу: если нужна именно надежная работа в узлах трения под давлением, особенно с недостаточной смазкой, то 10-5 — один из первых кандидатов. Но и здесь есть свои ?но?, о которых редко пишут в справочниках.

Что скрывается за цифрами 10-5?

Цифры, конечно, указывают на примерное содержание олова и свинца. Около 10% Sn, 5% Pb, остальное — медь. Но ключевое слово — ?примерное?. На практике состав может плавать, особенно если плавка ведется на вторичном сырье, и это напрямую влияет на структуру. Главная фишка — свинец. Он не растворяется в меди, а находится в виде отдельных включений. Это как раз то, что дает отличную обрабатываемость резанием — стружка ломается, поверхность получается чище. Но эти же включения могут стать концентраторами напряжений, если их распределение неравномерное.

Вот смотрите: идеальная микроструктура для этого сплава — это твердый раствор олова в меди (альфа-фаза) плюс равномерно распределенные частицы свинца. Если олова больше 10% или охлаждение слишком медленное, начинает выпадать дельта-фаза (Cu31Sn8) — она твердая и хрупкая. Деталь будет износостойкой, но может расколоться от удара. Поэтому в литье так важен контроль скорости охлаждения. На нашем производстве, в ООО Шаньси Кэжуй Машиностроительное Оборудование, с этим столкнулись, когда отливали крупногабаритные втулки. При стандартном режиме в массивных сечениях как раз и выпадала эта нежелательная хрупкая составляющая.

Пришлось экспериментировать с температурой заливки и конструкцией литейной формы. Снизили температуру металла, добавили холодильники в песчаную форму. Это увеличило время цикла, но структура в сечении стала однородной, без крупных выделений. Опыт дорогого стоит, его не найдешь в ГОСТ. Кстати, подробнее о нашем оборудовании для таких задач можно посмотреть на https://www.sx-kerui.ru — у нас там как раз 56 единиц разного литейного и металлообрабатывающего оборудования, что позволяет подбирать технологию под конкретный сплав и конфигурацию отливки.

Литейные тонкости и практические грабли

Литейщики не любят этот сплав за относительно низкую жидкотекучесть по сравнению, скажем, с чугуном или силуминами. Заливать тонкие и разветвленные сечения — та еще задача. Металл быстро густеет. Поэтому литниковую систему нужно рассчитывать особенно тщательно, чтобы обеспечить быстрое и спокойное заполнение. Частая ошибка — сделать литники слишком узкими. В итоге — недоливы и холодные спаи.

Еще один момент — усадка. Объемная усадка у оловянных бронз значительная. И если в отливке есть массивные узлы, там гарантированно получится усадочная раковина. Ее нужно перевести в прибыль, которую потом отрежешь. Но здесь важно не переборщить с размером прибыли, иначе из-за нее же может пойти разрыв по соседней стенке. Один раз при отливке ответственного корпуса подшипника так и вышло — поставили массивную прибыль сверху, а трещина пошла сбоку в месте перехода сечения. Пришлось менять расположение отливки в форме и ставить холодильник.

Газопоглощение — отдельная тема. Медь, особенно при перегреве, активно поглощает водород. А потом при затвердевании он выделяется и создает пористость. Поэтому плавку лучше вести под слоем флюса, защищающего от контакта с атмосферной влагой. Мы на своем центробежном литейном оборудовании для изготовления втулок отработали эту схему: индукционная печь, плавка под стеклом, заливка в быстро вращающуюся форму. Центробежные силы помогают вытеснить шлак и газы к внутренней поверхности, которую потом протачиваем, так что основной металл получается плотным.

Обработка резанием: где кроется выгода

Вот за что технологи и станочники действительно ценят ZCuSn10Pb5, так это за обрабатываемость. Свинец работает как внутренняя смазка. Инструмент изнашивается меньше, можно снимать стружку с высокой скоростью, поверхность после чистового прохода часто не требует шлифовки. Это прямая экономия на операциях и инструменте.

Но есть нюанс: при неправильно выбранном режиме резания свинец может ?вымазываться? по поверхности заготовки, забиваясь в поры резца. Получается нарост, который ухудшает качество поверхности. Особенно это критично при точении на высоких скоростях. Нашли для себя оптимальный вариант — твердосплавные пластины с острыми кромками и положительными геометриями, с хорошим отводом стружки. И охлаждение обязательно, но не эмульсией, а сжатым воздухом или минимальным количеством масла, чтобы не разносить свинцовую пыль по цеху.

Для фрезерования и сверления — та же история. Главное — острая режущая кромка и отвод стружки. Тупым инструментом вы только нагородите нарост и испортите деталь. Мы, кстати, после механической обработки часто делаем виброобработку для снятия остаточных напряжений. Небольшая операция, но заметно снижает риск коробления готовой детали в процессе эксплуатации.

Области применения и типичные ?провальные? случаи

Классика — втулки, вкладыши подшипников, шестерни, работающие в условиях граничной смазки. Масло есть, но его мало, или давление высокое. Свинец в структуре как раз и создает тот самый антифрикционный эффект. Хорошо показывает себя в паре с закаленной сталью.

Но был у нас заказ — сделать из этой бронзы уплотнительные кольца для работы в горячей воде (около 90°C). Казалось бы, коррозионная стойкость меди хорошая. Однако в теплой пресной воде может начаться так называемая ?децинкификация? (хотя цинка тут нет), а точнее — выборочное вымывание одного из компонентов. В нашем случае, видимо, речь шла о процессе, похожем на обесцинкование. Через полгода работы кольца стали пористыми и хрупкими. Вывод: для постоянного контакта с горячей водой или паром этот сплав, возможно, не лучший выбор. Лучше посмотреть в сторону бессвинцовых бронз или других сплавов.

Еще один провал — попытка использовать отливку из оловянной бронзы 10-5 для ударного инструмента (молотки, зубила). Заказчик решил, что раз сплав прочный и износостойкий, то выдержит. Не выдержал. Раскололся при первых же серьезных ударах. Все-таки ударная вязкость у него не та. Это материал для работы на сжатие и трение, а не на ударный изгиб.

Взаимодействие с заказчиком и подбор аналогов

Часто приходит техзадание с просто ?БрО10Ц5? (старое советское обозначение). И все. А нужно выяснять: деталь будет работать? Какие именно нагрузки? Есть ли удар? Какая пара трения? Какая смазка? Будет ли контакт с морской водой или кислотами? От этого зависит, можно ли лить именно этот сплав или стоит предложить аналог.

Например, если нужна повышенная коррозионная стойкость в морской воде, иногда лучше предложить алюминиевую бронзу. Если деталь сложная, тонкостенная, и главное требование — литейные свойства, может подойти латунь. Если нельзя использовать свинец (экологические требования), то есть бессвинцовые оловянные бронзы, но они дороже и хуже обрабатываются.

Наша роль как производителя — не просто отлить по чертежу, а проконсультировать. Иногда после разговора выясняется, что заказчику подойдет более дешевый вариант, а иногда — что наоборот, нужно взять сплав подороже, но он гарантированно отработает срок. Это честный подход. Мы в ООО Шаньси Кэжуй всегда стараемся вникнуть в условия эксплуатации будущей детали. На сайте компании, на той же странице sx-kerui.ru, мы не просто перечисляем оборудование, но и указываем на возможность изготовления сложных отливок из цветных сплавов, что подразумевает и технологическое сопровождение.

В итоге, ZCuSn10Pb5 — это рабочий, проверенный временем материал. Не панацея, но в своей ниче — один из лучших. Главное — понимать его природу, достоинства и ограничения. И тогда из него получаются детали, которые служат годами без проблем. А это, в конечном счете, и есть цель нашей работы.