Медные сплавы для искробезопасного инструмента

Взрывоопасные производства и требования безопасности

Где необходим искробезопасный инструмент

Как известно, при использовании стального ремонтно-слесарного ручного инструмента (гаечные ключи, зубила, отвертки, сверла, молотки и т.д.) возможно образование высокотемпературных искр, могущих привести к возгораниям, пожарам, взрывам в целом ряде особых производств.

Прежде всего к таким производствам относятся:

Сюда же можно отнести все производства, связанные с выделением или накоплением взрывоопасных газов, паров спирта, бензина и др., любого типа транспортировку взрывоопасных веществ.

Представьте: одна искра — и катастрофа. Поэтому требования к инструменту здесь предельно жесткие.

Медные и алюминиевые сплавы для искробезопасного инструмента

Почему именно медь и алюминий

Для производства искробезопасного инструмента и взрывозащитных герметичных монтажных контейнеров, шкафов и коробок для размещения электрических систем управления, двигателей, насосов, вентиляционных систем, разъединителей, магнитных пускателей и др., а также для транспортировки взрывоопасных грузов были выбраны сплавы двух сравнительно доступных основ — медной и алюминиевой.

Обе основы обладают:

• ✓ высокой коррозионной стойкостью;
• ✓ антимагнитностью;
• ✓ отсутствием искрообразования при ударе.

Это является важнейшим условием при создании универсального инструмента и защитного оборудования применительно к атомной энергетике и эксплуатации в агрессивных средах.

Для изготовления слесарно-монтажного и ремонтного инструмента используются в основном медные высокопрочные сплавы, хотя главным образом из экономических соображений, наряду с ними, довольно широко в отечественной практике используется омедненный стальной инструмент и значительно реже инструмент из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Искробезопасный инструмент, изготовленный целиком из медных сплавов научно и технически обоснованных составов, по прочностным свойствам практически не уступает своим стальным аналогам, надежен и долговечен.

На такой инструмент американская фирма «АМПКО» дает пожизненную гарантию.

Бериллиевые бронзы: свойства и ограничения

Высокая прочность, но опасный бериллий

Зарубежный высококачественный инструмент изготовлен из сплавов практически двух принципиальных композиций.

Во-первых, это бериллиевые бронзы типа отечественных БрБ2 или БрБ2,5, дополнительно легированные примерно полупроцентным Ni или Co.

Дополнительное легирование уменьшает долю прерывистого распада пересыщенного твердого раствора и замедляет непрерывный распад при дисперсионном твердении, делая бериллиевые бронзы более стабильными по свойствам и более технологичными при термической обработке.

При изготовлении изделий из бериллиевых бронз применение термической обработки (закалки и старения) является обязательной технологической операцией.

Только в этом состоянии инструмент приобретает твердость 350-400 НВ.

В литом состоянии, а также после горячей деформации, бериллиевые бронзы имеют твердость только 120-150 НВ.

Кроме бериллиевых бронз с 2 и 2,5% Be (БрБ2 и БрБ2,5) в России в институте «Гипроцветметобработка» (ныне ОАО «Институт Цветметобработка») разработаны бериллиевые бронзы БрБНТ1,7 и БрБНТ1,9, которые имеют прочностные свойства, соизмеримые с БрБ2, но имеющие более высокие упругие свойства и циклическую прочность.

НО! Бериллий чрезвычайно опасен для здоровья.

В соответствии с общими санитарно-гигиеническими правилами:

Специальные меры защиты одинаково необходимы как при плавке и литье заготовок или собственно инструмента, при горячей обработке давлением, так и при изготовлении инструмента или его реставрации, где присутствуют операции сварки, наплавки, исправления плоскостности рабочих поверхностей и частей инструмента любой шлифовкой, полировкой и др. методами.

Поэтому производство инструмента из бериллиевых бронз на инструментальных неспециализированных заводах должно быть прекращено.

Алюминиевые бронзы: оптимальный выбор

БрАЖНМц — лучший материал

Во-вторых, это алюминиевые бронзы, содержащие кроме меди и неизбежного количества примесей, легирующие элементы Al, Fe, Ni и Mn.

Сплавы, содержащие те же легирующие элементы производятся и в России, но для иного назначения.

По сути именно с открытием алюминиевых бронз и их возможности соперничать по прочности со сталью, которое произошло сто лет тому назад, и началось в двадцатых годах прошлого столетия производство искробезопасного инструмента.

Первым и постоянным его производителем является Американская Компания Металлоизделий (позднее фирма «АМПКО»).

Со временем состав алюминиевой бронзы, усложняясь, совершенствовался и, наконец, приобрел «очертания» сложнолегированной бронзы БрАЖНМц 10-4-5-1,5.

Этот вариант кажется композиционно и по содержанию легирующих оптимальным, хотя в химических составах сплавов некоторых зарубежных фирм содержание железа может быть уменьшено до 2,5% (сплав Ampcoloy 45), или содержание никеля до 2% (сплав MZW).

В России эта композиция носит наименование БрАЖНМц 9-4-4-1:

Однако искробезопасный инструмент из этой бронзы у нас не производится, что является серьезным упущением отечественной промышленности.

Бронза БрАЖНМц, наследуя положительное влияние каждого дополнительного легирующего компонента на структуру, многообразие свойств и технологичность при обработке базового медно-алюминиевого сплава, приобретает, наряду с бериллиевой бронзой, возможность упрочняться в результате дисперсионного твердения.

Кроме того, этот сплав широко используется для изготовления высокопрочных литых изделий.

Твердость в разных состояниях:

• → В литом состоянии: 180-200 НВ
• → В прессованном или кованом (при температуре начала обработки 850-900°C): 250-280 НВ
• → После закалки от 980°C в воде и старения при 400-450°C в течение двух часов: до 400 НВ
• → Для повышения ударной вязкости (старение при 600-650°C): 300-350 НВ

Для повышения ударной вязкости температуру двухчасового старения необходимо увеличить до 600-650°C, ощутимо пожертвовав при этом твердостью (до 300-350 НВ).

Отечественные сплавы ВБ1, ВБ2, ВБ3

Анализ российских разработок

Закончив с повествованием о бронзовом инструменте и некоторыми рекомендациями по его термической обработке – инструменте, который производится и импортируется в Россию фирмами AMPCO, METALMINOTTI ENDRESTOOLS и еще рядом фирм, следует остановиться на материалах и искробезопасном инструменте из него, который предлагается сегодня отечественной промышленности и транспортирующим предприятиям, связанным с взрывоопасным производством.

Далее целесообразно обсудить составы медных сплавов, предложенных отечественными производителями искробезопасного инструмента.

Таблица 1. Химический состав и твердость в состоянии поставки отечественных сплавов

Примечание: «М» — модификатор; в сплаве ВБ2 по ТУ используется один из двух модификаторов с пометкой «не более».

Несмотря на то, что в промышленном производстве на сегодняшний день имеется только сложнолегированная литейная латунь ВБ3, все три упомянутые в таблице сплава производят странное впечатление как трудно воспринимаемыми композициями, так и пределами их легирования.

Проблемы сплавов:

1. ВБ1: Содержание Al и Ni нужно поменять местами. В этом случае получится некое напоминание «Куниалей», способных сносно переносить обработку давлением, а дополнительное легирование Cr и Zr здесь явно ничего не добавляет в твердости.
2. ВБ2: Из-за большого содержания никеля недопустимо дорог. Кроме того, если легировать его только Ni и Mn, то получим в результате давно известный пружинный материал МНМц 20-20, который в присутствии Al дает требуемую твердость без дополнительного легирования и модифицирования.
3. ВБ3: Может быть только литым, так как содержание Al в латуни, способной обрабатываться давлением, не может превышать 3,5-4%. Отсюда и ограниченность сортамента инструмента.

Ведь почти каждое изделие требует подбора оптимального материала формы и метода литья, проектирования литниковой системы, расстановки прибылей и холодильников, учета литейных и усадочных свойств материалов отливки и формы.

Омедненный стальной инструмент: проблемы

Дешево, но небезопасно

Прежде всего это омедненный электролитическим способом стальной инструмент.

Как правило, слой меди на таком инструменте не превышает толщину в 30-50 мкм, но не дает искры при ударе.

Несмотря на ценовую доступность и, следовательно, популярность, такой инструмент относительно пригоден для аккуратной профессиональной ремонтной работы и особенно на транспорте, перевозящем пожароопасные грузы или при малоинтенсивной работе.

Недостатки омедненного инструмента:

• ✗ непредсказуемо низкая износостойкость;
• ✗ магнитен;
• ✗ значительно меньшая коррозионная стойкость по сравнению с цельнобронзовым инструментом.

По этим причинам он не удовлетворяет в полной мере требованиям по безопасности при работе во взрывобезопасном производстве.

В настоящее время техногенные катастрофы, возникающие по любой причине, должны быть исключены и прежде всего такие, предотвращение которых можно считать очевидным явлением.

К таким явлениям можно отнести возгорания и взрывы, возникающие от случайной искры.

Искробезопасный инструмент, используемый при проведении слесарных ремонтно-монтажных работ во взрывоопасной среде, должен обладать абсолютной гарантией от возникновения даже случайной искры и даже в недостаточно профессиональных или в совсем неумелых руках.

Вот поэтому, в частности, должен быть исключен из применения омедненный стальной инструмент.

Рекомендации по выбору и производству

Что делать отечественной промышленности

Современный искробезопасный инструмент должен быть:

• ✓ высоконадежным в работе;
• ✓ обладать соизмеримыми со стальным инструментом свойствами;
• ✓ достаточно технологичным и безопасным в производстве и реставрации.

Что же остается в итоге?

1. Искробезопасный инструмент, находящийся в отечественной эксплуатации, должен быть цельнобронзовым или цельнолатунным.
2. Импортозамещение будет возможно только тогда, когда отечественный инструмент по эксплуатационным свойствам будет по крайней мере не хуже зарубежного, при соизмеримых ценах одновременно.
3. Производство литого инструмента на Боготольском заводе СМИ следует оставить, обратив внимание на необходимость соблюдения требований соответствующей технической документации к марочному составу и твердости изделий из сплава ВБ3.
4. Производство инструмента из бериллиевых бронз на инструментальных неспециализированных заводах должно быть прекращено, тем более, что к настоящему времени синтезировано достаточное количество безбериллиевых сплавов на медной основе, которые не уступают им в прочностных характеристиках и превосходят «токсичные аналоги» по таким показателям, как циклическая усталостная прочность, релаксационная стойкость, теплоупругость.
5. Дисперсионное твердение: Для того, чтобы использовать весь прочностной ресурс сплавов, они должны быть дисперсионно твердеющими, т.е. эффективно упрочняться после термической обработки, состоящей из закалки с последующим искусственным старением.
6. Приоритет кованого инструмента: Не исключая производства литого инструмента, следует всячески отдавать предпочтение штампованному или кованому из катаной, прессованной, волоченой или литой круглой или плоской заготовки инструменту.

Инструмент может быть изготовлен из нескольких латуней, бронз, медно-никелевых сплавов различных композиций в зависимости от их освоенности на конкретном предприятии, авторских прав, конъюнктурных соображений, относительной доступности компонентов шихты и других причин.

Важно, чтобы инструмент прошел необходимый комплекс испытаний и был официально аттестован.

В зависимости от усилий, прикладываемых к инструменту, его специфических особенностей и назначения целесообразно перенять сложившийся опыт зарубежных фирм и разделить его по твердости на две группы:

При этом разделение инструмента по твердости должно сопровождаться достаточно приемлемой для поставщиков и потребителей разницей в цене.

Рекомендуемые сплавы:

• → К первой группе: сплав ВБ3 (если останется в производстве), дисперсионно твердеющая латунь ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5, целый комплекс сравнительно низколегированных бронз, упрочняемых при старении нанофазными выделениями на основе силицидов никеля и хрома, алюминидов и карбидов никеля, боридов хрома, а также известный сплав «Камелин» и др.
• → Ко второй группе: комплекс безбериллиевых медных сплавов на основе «Куниалей» (сплавов, являющихся полноправными заменителями бериллиевых бронз) типа МНАХМц и МНАКХ, МНМцАКХ и др.

Из ряда сплавов, которые может предложить институт «Цветметобработка» и фирма «Астринсплав СК» для изготовления искробезопасного инструмента следует выбрать те, которые окажутся более технологичными при его изготовлении, а также более доступными по цене.

Требования безопасности и аттестация

Сертификация и контроль качества

Литой искробезопасный инструмент рекомендуется и специалистами В.П. Гаврилюком и В.А. Локтионовым-Ремизовским (Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины).

Ими предлагается такой инструмент изготавливать из титановой бронзы, оптимальный химический состав которой в рекламном проспекте не приводится, а структура сплавов и некоторые свойства просто не воспринимаются без описания методик исследований и соответствующих пояснений на современном металловедческом уровне.

К этому следует добавить:

1. Смена легирующих компонентов по сравнению со сплавами типа ВБ ничего не меняет в плане технологии изготовления инструмента, а следовательно, не меняются все издержки, присущие литому инструменту.
2. Работы, проведенные еще в начале девяностых годов прошлого столетия институтом «Цветметобработка» показали, что прочностные свойства, соизмеримые с показанным специалистами Украины сплавом (если он все-таки содержит 4,5% Ti; 0,5% Cr и 0,5% Zr) можно получить при синтезе композиции, содержащей всего 3% Ti без всякого дополнительного усложнения ее состава.
3. Медно-титановая композиция сплава для изготовления искробезопасного инструмента не является оптимальной с точки зрения окисления расплава при плавке и литье, технологичности в процессе литья слитка или фасонной отливки, качества отливки, исходя из ее оценки по наличию включений оксидов титана, активного поверхностного и внутреннего окисления при термической обработке.

Важно: Инструмент должен пройти необходимый комплекс испытаний и быть официально аттестован.

Только в этом случае можно гарантировать безопасность при работе во взрывоопасных средах.

Не экономьте на безопасности!

А.К. Николаев

профессор, д.т.н.

ОАО «Институт Цветметобработка»

Тел./факс (495) 951-10-14

e-mail: 9511014@gmail.com