Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учебное пособие

Меркулова, Г. А.

Красноярск, 2008 г.

Принципы выбора режимов отжига меди и ее сплавов

При разработке технологии термической обработки меди и ее сплавов приходится учитывать две особенности: высокую теплопроводность и активное взаимодействие меди с газами при нагреве. При нагреве тонких изделий и полуфабрикатов теплопроводность имеет второстепенное значение. При нагреве массивных изделий высокая теплопроводность меди является причиной более быстрого и равномерного их прогрева по всему сечению, по сравнению, например, с титановыми сплавами.

В связи с высокой теплопроводностью при упрочняющей термической обработке медных сплавов не возникает проблемы прокаливаемости. При используемых на практике габаритах полуфабрикатов и изделий они прокаливаются насквозь.

Медь и сплавы на ее основе активно взаимодействуют с кислородом и парами воды при повышенных температурах, по крайней мере, более интенсивно, чем алюминий и его сплавы. В связи с этим, при термической обработке полуфабрикатов и изделий из меди и ее сплавов часто применяют защитные атмосферы, в то время как в технологии термической обработки алюминия защитные атмосферы используют редко.

Отжиг меди и ее сплавов проводят с целью устранения тех отклонений от равновесной структуры, которые возникли в процессе затвердевания или в результате механического воздействия либо предшествующей термической обработки.

Гомогенизациониыи отжиг заключается в нагреве слитков до максимально возможной температуры, не вызывающей оплавления структурных составляющих сплавов. Ликвационные явления в меди и латунях развиваются незначительно, и нагрев слитков под горячую обработку давлением достаточен для их гомогенизации. Основными сплавами меди, нуждающимися в гомогенизашюнном отжиге, являются оловянные бронзы, так как составы жидкой и твердой фаз в системе Cu-Snсильно отличаются, в связи с чем развивается интенсивная дендритная ликвация.

В результате гомогенизационного отжига повышается однородность структуры и химического состава слитков. Гомогенизашюнный отжиг - одно из условий получения качественного конечного продукта.

Рекристаллизационный отжиг - одна из распространенных технологических стадий производства полуфабрикатов меди и сплавов на ее основе.

Температуру начала рекристаллизации меди интенсивно повышают такие элементы, как Zr, Cd, Sn, Sb, Cr, в то время как Ni, Zn, Fe, Со оказывают слабое влияние.

На температуру рекристаллизации латуней также влияет предшествующая обработка, в первую очередь степень холодной деформации и величина зерна, сформировавшегося при этой обработке. Так, например, время до начала рекристаллизации латуни Л95 при температуре 440 °С составляет 30 мин при степени холодной деформации 30 % и 1 мин при степени деформации 80 %.

Величина исходного зерна действует на процесс рекристаллизации противоположно повышению степени деформации. Например, в сплаве Л95 с исходным зерном 30 и 15 мкм отжиг после 50 % деформации при температуре 440 °С приводит к рекристаллизации через 5 и 1 мин соответственно. В то же время величина исходного зерна не влияет на скорость рекристаллизации, если температура отжига превышает 440 °С.

При одинаковых условиях деформации и отжига с увеличением содержания цинка величина зерна уменьшается, достигает минимума, а затем растет. Так, например, после отжига при 500 °С в течение 30 мин величина зерна составляет: в меди 0,025 мм; в латуни с содержанием 15 % Zn-0,015 мм, а в латуни с 35 % Zn- 0,035 мм. В α-латунях зерно начинает расти при относительно низких температурах и растет вплоть до температур солидуса. В двухфазных (α + β)- и специальных латунях рост зерна, как правило, происходит лишь при температурах, при которых остается одна β-фаза. Например, для латуни Л59 значительное увеличение зерна начинается при отжиге выше температуры 750 °С.

Температуру отжига латуней выбирают примерно на 250-350 °С выше температуры начала рекристаллизации (табл. 2.1).

При отжиге сплавов меди с содержанием 32-39 % Znпри температурах выше α <-> (α + р)-перехода выделяется β-фаза, что вызывает неравномерный рост зерна. Отжиг таких сплавов желательно проводить при температурах, не превышающих линию α <-> (α + β)-paвнoвecия системы Cu-Zn. В связи с этим латуни, лежащие по составу вблизи точки максимальной растворимости цинка в меди, следует отжигать в печах с высокой точностью регулировки температуры и большой однородностью распределения ее по объему печи.

На рис. 2.1 приведены оптимальные режимы отжига простых латуней по результатам обобщения технологических рекомендаций, накопленных в отечественной и мировой практике. Обнаруживается тенденция к повышению температуры полного отжига латуни с увеличением содержания в них цинка.

Таблица 2.1

Режимы отжига меди и сплавов на ее основе*

По А.П. Смирягину и др.

При выборе режимов рекристаллизашюнного отжига латуней следует учитывать, что сплавы, лежащие вблизи фазовой границы α / (α + β) (рис. 2.1), из-за переменной растворимости цинка в меди могут термически упрочняться. Закалка латуней, содержащих более 34 % Zn, делает их склонными к старению, причем способность к упрочнению при старении растет с увеличением содержания цинка до 42 %. Практического применения этот вид термического упрочнения латуней не нашел. Тем не менее скорость охлаждения латуней типа Л63 после рекрпсташшзацнонного отжига влияет на их механические свойства. Возможность распада пересыщенных растворов в α-латунях, содержащих более 34 % Ζη, и в (α + р)-латунях следует также учитывать при выборе режимов отжига для уменьшения напряжений. Сильная холодная деформация может ускорять распад пересыщенных а- и β-растворов при отжиге.

Температура начала рекристаллизации латуни Л63 колеблется от 250 до 480 °С. Наиболее мелкозернистая структура в сплаве Л63 образуется после отжига при температурах 300-400 °С. Чем выше степень предшествующей холодной деформации, тем меньше величина рекристаллизованного зерна и больше твердость (при одинаковых условиях отжига).

Качество отожженного материала определяется не только его механическими свойствами, но и величиной рекристаллизованного зерна. Величина зерна в полностью рекристаллизованной структуре довольно однородна. При неправильно установленных режимах рекристаллизационного отжига в структуре четко обнаруживаются две группы зерен различной величины. Эта так называемая двойная структура особенно нежелательна при операциях глубокой вытяжки, гиба или полировки и травления изделий.

С увеличением размеров зерна до определенного предела штампуемость латуней улучшается, но качество поверхности ухудшается. На поверхности изделия при величине зерна более 40 мкм наблюдается характерная шероховатость - «апельсиновая корка».

0157

Этапы эволюции деформированной структуры значительно растянуты во времени, и поэтому представляется возможным получение частично или полностью рекристаллизованной структуры с мелким зерном путем варьирования времени отжига. Полуфабрикаты с не полностью рекристаллизованной структурой с очень малым размером зерна штампуются без образования «апельсиновой корки».

Неполный отжиг, продолжительность которого определяется степенью предварительной деформации, проводят в интервале 250-400 °С. Для соблюдения точного технологического режима такой отжиг следует выполнять в протяжных печах, где строго контролируется рабочая температура и продолжительность выдержки (скорость протяжки).

Неполный отжиг применяют преимущественно с целью уменьшения остаточных напряжений, которые могут приводить к так называемому «сезонному растрескиванию». Этот вид коррозии, присущий латуням с содержанием более 15 % Ζη, заключается в постепенном развитии межкристаллитных трещин при одновременном воздействии напряжений (остаточных и приложенных) и специфических химических реагентов (например- растворы и пары аммиака, растворы ртутных солей, влажный серный ангидрид и т.д.). Считается, что чувствительность латуней к сезонному растрескиванию обусловлена скорее неоднородностью напряжений, чем их абсолютной величиной.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжении проводят в температурном интервале ниже температуры начала рекристаллизации с тем, чтобы заметно не снижались механические свойства, полученные нагартовкой. Обычно этот интервал температур лежит между 250 и 330 °С, а продолжительность отжига колеблется от 1 до 2 ч. Такая операция значительно снижает остаточные напряжения и. как правило, выравнивает их по объему изделия. (Режимы отжига латуней для уменьшения остаточных напряжений даны в табл. 2.1.)