Введение
Жесткий медный сплав с высокой прочностью
Бериллиевая медь (BeCu), также известная как медь-бериллий (CuBe), бериллиевая бронза и пружинная медь, — это медный сплав, содержащий от 0,5 до 3% бериллия. Сплавы меди-бериллия часто используются благодаря своей высокой прочности и хорошей тепло- и электропроводности. Они ценятся за пластичность, свариваемость при металлообработке и обрабатываемость. Обладают широким спектром специализированных применений в инструментах для работы во взрывоопасных средах, музыкальных инструментах, прецизионных измерительных приборах, пулях, а также в некоторых областях аэрокосмической промышленности. Бериллиевая медь и другие сплавы бериллия являются опасными канцерогенами и представляют собой токсичную опасность при вдыхании в процессе производства.
Свойства
Бериллиевая медь — пластичный, свариваемый и обрабатываемый сплав. Как и чистая медь, она устойчива к не окисляющимся кислотам (таким как соляная и угольная кислоты) и продуктам разложения пластмасс, абразивному износу и заеданию. Ее можно подвергать термообработке для повышения прочности, долговечности и электропроводности. Бериллиевая медь достигает наибольшей прочности (до) среди всех сплавов на основе меди. Она обладает теплопроводностью 62 Btu/h ft °F (107 Вт/(м·К)), что в 3–5 раз выше, чем у инструментальной стали. Температура плавления в твердом состоянии составляет 1590 °F (866 °C), а в жидком — 1800 °F (982 °C). Она обладает высокой способностью к горячей формовке. Сплав бериллиевой меди C17200 имеет прочность и твердость, сопоставимые со сталью; значения твердости по Роквеллу в состоянии пикового старения находятся в диапазоне 200 ksi и RC45. C17200 обладает эффективными коррозионностойкими свойствами при воздействии агрессивных условий, таких как морская вода и скважинная среда. Он устойчив к коррозионному растрескиванию под воздействием сульфидов или хлоридов и противостоит воздействию углекислого газа и водородного охрупчивания. Медные сплавы в целом всегда считались неискрящимися. C17200 обладает достаточной прочностью для использования в ручном и механическом инструменте. Эти неискрящие свойства наиболее эффективно применять во взрывоопасных средах, таких как нефтегазовая и пороховая промышленность.
Токсичность
Вдыхание пыли, тумана или дыма, содержащих бериллий, может вызвать хроническую бериллиозную болезнь, которая ограничивает обмен кислородом между легкими и кровотоком. Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицирует бериллий как канцероген для человека 1-й группы. Национальная токсикологическая программа (NTP) также относит бериллий к канцерогенам. Медно-бериллиевый сплав, содержащий менее 2,5% бериллия (в меди), не классифицируется как канцероген.
Применение
Бериллиевая медь – это цветной сплав, используемый в пружинах, пружинной проволоке, тензодатчиках и других деталях, которые должны сохранять свою форму при многократных напряжениях и деформациях. Она обладает высокой электропроводностью и применяется в контактах с низким током для батарей и электрических разъемов. Бериллиевая медь не образует искр, но при этом физически прочна и немагнитна, что соответствует требованиям директивы ATEX для зон 0, 1 и 2. Для работы во взрывоопасных средах, таких как нефтяные платформы, угольные шахты и зерновые элеваторы, доступны инструменты из бериллиевой меди: отвертки, плоскогубцы, гаечные ключи, зубила, ножи и молотки. В качестве альтернативы для изготовления искробезопасных инструментов иногда используется алюминиевая бронза. По сравнению со стальными инструментами, инструменты из бериллиевой меди дороже и менее прочны, однако ее свойства в опасных условиях могут перевесить эти недостатки. Некоторые из разнообразных применений BeCu включают:
Определенные ударные инструменты, особенно тамбурины и треугольники, благодаря стабильному тону и резонансу бериллиевой меди. Криогенное оборудование сверхнизких температур, такое как разделительные холодильники, благодаря своей механической прочности и относительно высокой теплопроводности в этом температурном диапазоне. Формы для производства пластиковых контейнеров (включая практически все пластиковые молочные канистры) при литье выдуванием. Бронебойные пули, хотя такое применение нетипично, поскольку пули из стальных сплавов значительно дешевле и обладают схожими свойствами. Инструменты для измерения параметров при бурении (MWD) в отрасли направленного бурения. Требуется немагнитный сплав, так как для получения данных о напряженности поля, передаваемых инструментом, используются магнитометры. Обслуживание аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ), где сильные магнитные поля делают использование железных инструментов опасным, а наличие магнитных материалов в поле может исказить изображение. Прокладки для создания герметичного RF-соединения (устойчивого к утечке радиочастот), электронные уплотнения на дверях, используемых при EMC-тестировании, и безэховые камеры. В 1980-х годах бериллиевая медь использовалась при производстве клюшек для гольфа, особенно вейджей и паттеров. Хотя некоторые игроки в гольф предпочитают ощущения от головок клюшек из бериллиевой меди, нормативные ограничения и высокая стоимость затруднили поиск клюшек из бериллиевой меди в текущем производстве. Компания Kiefer Plating (закрылась) из Элкхарта, штат Индиана, изготавливала раструбы для труб из бериллиевой меди для Schilke Music Co. из Чикаго. Эти легкие раструбы производят звук, который предпочитают некоторые музыканты. Проволока из бериллиевой меди выпускается в различных формах: круглой, квадратной, плоской и профильной, в мотках, на катушках и в прямых отрезках. Седла и направляющие клапанов из бериллиевой меди используются в высокопроизводительных четырехтактных двигателях с титановыми клапанами. BeCu отводит тепло от клапана в семь раз быстрее, чем седла и направляющие из порошковой стали или железа. Более мягкий BeCu снижает износ клапана и увеличивает срок его службы.
Сплав, закаленный от старения
Бериллиевая медь (C17200 и C17300) – это сплав, упрочняемый старением, который обладает самой высокой прочностью среди всех сплавов на основе меди. Упрочнение старением может проводиться после придания сплаву формы пружин, сложных деталей или изделий сложной формы. Бериллиевая медь ценится за эластичность, коррозионную стойкость, стабильность, электропроводность и низкую склонность к ползучести. Отпущенная бериллиевая медь – это C17200 и C17300, которые были подвергнуты упрочнению старением и холодной вытяжке. Дополнительная термическая обработка, как правило, не требуется, за исключением возможной легкой снятия напряжений. Она достаточно пластична для намотки на собственный диаметр и может быть сформирована в пружины и большинство форм. Отпущенная проволока наиболее эффективна там, где требуются свойства бериллиевой меди, но упрочнение старением готовых деталей нецелесообразно. Бериллиевые медные сплавы C17510 и C17500 поддаются упрочнению старением и обеспечивают хорошую электропроводность, физические свойства и износостойкость. Они используются в пружинах и проволоке, где важна электропроводность или сохранение свойств при повышенных температурах.
Специализированные варианты
Высокопрочные сплавы бериллиевой меди содержат до 2,7% бериллия (литые) или 1,6–2% бериллия с примерно 0,3% кобальта (деформированные). Прочность достигается посредством старения. Теплопроводность этих сплавов лежит между теплопроводностью стали и алюминия. Литые сплавы часто формуются с использованием литьевых форм. Деформированные сплавы обозначаются по системе UNS как C17200–C17400, литые сплавы – C82000–C82800. Процесс упрочнения требует быстрого охлаждения отпущенного металла, что приводит к образованию твердого раствора бериллия в меди, который затем выдерживается при температуре 200–460 °C не менее часа, что способствует осаждению метастабильных кристаллов бериллида в медной матрице. Перестарение, выходящее за пределы равновесной фазы, приводит к истощению кристаллов бериллида и снижению прочности. Бериллиды в литых сплавах аналогичны бериллидам в деформированных сплавах. Высокопроводящие сплавы бериллиевой меди содержат до 0,7% бериллия с добавлением никеля и кобальта. Теплопроводность этих сплавов выше, чем у алюминия, и немного ниже, чем у чистой меди; они часто используются в качестве электрических контактов.