Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

6.25. Гарантируемые механические свойства теллуровой бронзы [47]

НВ

В теллуровой бронзе недопустимо повы­ шенное содержание кислорода, так как он свя­ зывает теллур в малорастворимый оксид, что приводит к охрупчиванию сплава, поэтому бронзу раскисляют фосфором или используют бескислородную медь. Теллуровая бронза, раскисленная фосфором, обладает хорошей обрабатываемостью резанием, но электро- и теплопроводность этого сплава из-за остаточ­ ного содержания фосфора значительно уступа­ ет меди. Когда требуется высокая электро- и теплопроводность, бронзу получают на основе бескислородной меди.

Теллуровая бронза широко применяется в США (С14500), Германии (СиТеР 2.1546, SE-CuTe), Великобритании (С 10900), Франции (VTe) (табл. 6.12). Свойства и режимы обра­ ботки сплава С14500 (США) приведены в табл.

6. 21, 6. 22.

Из теллуровой бронзы получают прессо­ ванные прутки и профили, пригодные для ав­ томатической обработки резанием.

По механическим свойствам полуфабри­ каты из теллуровой бронзы существенно отли­ чаются от медных. Теллур оказывает положи­ тельное влияние на термическую стабильность меди. Так, прочность сплава Си-0,6 % Те в деформированном состоянии не изменяется при температуре 350 °С в течение 2 ч, тогда как медь при этих условиях разупрочняется через 10... 15 мин. Теллур, не повышая темпе­ ратуру рекристаллизации меди, замедляет про­ цесс разупрочнения и, благодаря присутствию дисперсных частиц теллурида меди Си2Те, сдерживает рост зерен при рекристаллизации.

Благодаря хорошей обрабатываемости резанием теллуровую бронзу применяют для изготовления сопел (патрубков) газопламенной резки, направляющих клапанов в автомобиль­ ных двигателях.

Сплавы системы Cu-Те благодаря нали­ чию в мягкой медной матрице твердых дис­ персных включений теллурида меди Си2Те обладает хорошими антифрикционными свой­ ствами. В сочетании с высокой теплопровод­

ностью и хорошей обрабатываемостью резани­ ем теллуровая бронза является материалом, пригодным для изготовления подшипников скольжения, работающих в тяжелых условиях. Высокая электропроводность делает ее пер­ спективным материалом для применения в электротехнике: многие детали электрических выключателей, элементы полупроводниковых устройств и т.п., требующие проведения об­ ширной обработки резанием, экономично изго­ товлять из теллуровой бронзы.

Сплавы системы Cu-Те из-за высокой упругости паров теллура не пригодны для ис­ пользования в вакуумных и электронных уст­ ройствах. Теллур также ухудшает сваривае­ мость меди, пайка возможна твердым припоем, содержащим мышьяк, и мягким припоем, в состав которого входит олово.

6.2.3 Сплавы системы Cu-Zr

Цирконий является одним из наиболее важных легирующих элементов в металлургии проводниковых медных сплавов. Из всех леги­ рующих элементов он наиболее сильно повы­ шает температуру начала рекристаллизации меди (см. рис. 6.1). Цирконий находится среди элементов, которые не сильно снижают элек­ тропроводность меди (см. рис. 1.9), и даже при содержании его в количестве 0,8...0,9 % элек­ тропроводность сплавов сохраняется на уровне 80 % от электропроводности меди (рис. 6.28). Цирконий используется как легирующий эле­ мент при создании микролегированных мед­ ных сплавов высокой электропроводности (см. п. 6.1), он является важнейшим легирующим элементом в многокомпонентных жаропроч­ ных бронзах высокой электро- и теплопровод­ ности. В промышленности нашли применение и двухкомпонентные медно-циркониевые бронзы.

Диаграмма состояния системы Cu-Zr, ко­ торая является основой фазового состава цир­ кониевых бронз, с тех пор как она была опуб­ ликована в завершенном виде [112], претерпе-

Си Zr, ‘

Рис. 6.28. Влияние содержания циркония на механические свойства и электропроводность

меди

ла значительные изменения. Основные уточне­ ния связаны с идентифицированием первых двух интерметаллических соединений со сто­ роны меди, что является принципиальным при определении фазового состава циркониевых бронз. Считалось, что в равновесии с а-твер- дым раствором на основе меди находится кон­ груэнтно плавящаяся фаза Cu3Zr с температу­ рой плавления 1115 °С. Поэтому она указыва­ лась в научной и справочной литературе как основная упрочняющая фаза сплавов системы Cu-Zr.

В настоящее время установлено, что в равновесии с а-раствором находится другая инконгруэнтно плавящаяся интерметаллидная фаза Cu5Zr, которая образуется по перитектической реакции L + Cu5|Zri4 г Cu5Zr при 1010 °С

(рис. 6.29). Следовательно, она является упроч­ няющей фазой в циркониевых бронзах. Фаза Cu5Zr участвует в эвтектической реакции

Рис. 6.29. Диаграмма состояния системы Cu-Zr [21,142)

L г а + Cu5Zr с а-твердым раствором на осно­ ве меди при температуре 967 °С. Она имеет сложную кубическую решетку типа Ве5Аи с пространственной группой F43m и параметром решетки а = 0,687 нм [21].

Однако до настоящего времени оконча­ тельный вариант диаграммы состояния не от­ работан. В частности, в ряде работ отмечается, что ближайшая к меди фаза имеет формулу Cu9Zr2, решетка которой с параметрами а = = 0,6856 нм и с = 0,68882 нм относится к тетра­ гональной сверхструктуре, производной от структуры типа Ве5Аи (типа Cu5Zr) [21]. Уточ­ нена также формула конгруэнтно плавящейся фазы - она имеет стехиометрический состав Cu5|ZrM.

Предельная растворимость циркония в меди в твердом состоянии при эвтектической температуре 967 °С составляет 0,15 %. С по­ нижением температуры она уменьшается [21]:

Сплавы системы Cu-Zr относятся к кате­ гории проводниковых медных сплавов. По электропроводности (90...95 % от электропро­ водности меди) они превосходят хромовые

бронзы и находятся на уровне термически неупрочняемых медных сплавов высокой элек­ тро- и теплопроводности.

Физические и механические свойства

циркониевых бронз, особенности термической и термомеханической обработки полуфабрика­ тов и изделий с целью получения высокопроч­ ного состояния определяются двумя особенно­ стями этих сплавов.

Во-первых, цирконий имеет крайне ма­ лую предельную растворимость в меди в твер­ дом состоянии, всего 0,15 % Zr. Поэтому эф­ фект упрочнения закаленных циркониевых бронз за счет дисперсионного твердения при старении невысокий. По данному показателю циркониевые бронзы существенно уступают хромовым и тем более хромоциркониевым сплавам (рис. 6.30) [167]. Невысокое упрочне­ ние при старении циркониевых бронз связано с небольшим количеством упрочняющей фазы Cu5Zr. На уменьшение эффекта упрочнения также влияет пластинчатая форма и относи­ тельно большие размеры этой фазы.

Во-вторых, из всех легирующих элемен­ тов цирконий наиболее сильно повышает тем­ пературу начала рекристаллизации меди, она выше оптимальных температур старения спла­ вов системы Cu-Zr. Поэтому наклеп от пласти­ ческой деформации между закалкой и старени-

HV

Т е м п е р а т у р а с т а р е н и я , °С

Рис. 6.30. Влияние температуры старения в течение 1 ч сплавов Си - 0,37 % Zr (/),

Си - 0,26 % Сг (2) и Си - 0,50 % Сг - 0,54 % Zr (J) на твердость после обработки по режимам |167|:

а- закалка с 950 °С в воде + старение;

б- закалка с 950 °С в воде + деформация 83 % +

+старение

ем циркониевых бронз накладывается на эф­ фект упрочнения от дисперсионного твердения при старении и усиливает его. Об этом свиде­ тельствует сопоставлении твердости цирконие­ вых и хромовых бронз после старения при раз­ личных температурах и термомеханической обработки, предусматривающей деформацию между закалкой и старением (см. рис. 6.30). Холодная деформация после закалки повышает твердость всех трех сплавов по сравнению с обычным вариантом термической обработки. Кроме того, твердость циркониевой бронзы становится выше твердости двойной хромовой бронзы во всем диапазоне температур старе­ ния.

Поскольку при старении закаленных сплавов системы Cu-Zr происходит небольшой прирост прочностных свойств, этот вариант термической обработки к циркониевым брон­ зам не применяют. Полуфабрикаты из цирко­ ниевых бронз подвергают термомеханической обработке по схеме: закалка + деформация + + старение или закалка + деформация + старе­ ние + деформация. Все варианты ТМО цирко­ ниевых бронз с целью получения заданных свойств связаны с отысканием компромисса между величиной холодной деформации и температурно-временными режимами старе­ ния.

Как следует из рис. 6.31, а, применение ТМО к сплаву Cu-0,46 % Zr по схеме: закалка с

Рис. 6.31. Влияние времени старения при различных температурах на твердость сплава

Си - 0,46 % Zr после обработки по режимам:

а- закалка с 920 °С в воде + деформация 50 % +

+старение; б - закалка с 920°С в воде + старение

920°С в воду + холодная деформация 50 % + + старение, приводит к повышению твердости почти в 2 раза по сравнению с полуфабриката­ ми, которые подвергались закалке и старению (см. рис. 6.31, б).

Холодная деформация закаленного спла­ ва не только вызывает дополнительное упроч­ нение, но и изменяет кинетику старения спла­ ва. Из-за повышения концентрации вакансий и плотности дислокаций облегчается выделение частиц циркониевой фазы Cu5Zr, снижается устойчивость пересыщенного твердого раство­ ра, и максимальное упрочнение при старении достигается при более низких температурах: с применением ТМО она составляет 400 °С, без ТМО - 470 °С.

Эффект упрочняющего действия холод­ ной пластической деформации закаленного сплава настолько высок, что последующий нагрев при старении может даже вызвать неко­ торое понижение твердости, так как дисперси­ онного твердения при распаде пересыщенного твердого раствора недостаточно для полной компенсации разупрочнения от процессов воз­ врата и отдыха (см. рис. 6.31).

Для проводниковых сплавов важно, что режимы ТМО не только повышают прочност­ ные свойства сплавов системы Cu-Zr, но и увеличивают их электропроводность. Об этом свидетельствуют кинетические кривые старе­ ния сплава Cu-0,46 % Zr при температурах 425 и 500 °С (рис. 6.32): электропроводность после ТМО выше, чем после старения по тем же ре­ жимам.

Насколько эффективно применение ТМО к циркониевым бронзам свидетельствуют дан­ ные табл. 6.26. Применение холодной дефор­ мации 90 % между закалкой и старением при­ водит к повышению в несколько раз предела текучести при сохранении электропроводности

СО, % ОТ Си

Рис. 6.32. Влияние времени старения при температурах 425 и 500 °С

на электропроводность сплава Си - 0,46 % Zr после обработки по режимам:

/ и 3 - закалка с 920 °С в воде + деформация 50 % + + старение; 2 и 4 - закалка с 920°С в воде + старение

на том же уровне. Степень упрочнения сплавов возрастает с повышением концентрации цир­ кония до 0,15%. Свойства сплавов с различ­ ным содержанием циркония, представленные в табл. 6.27, показывают, что увеличение кон­ центрации циркония выше 0,5 % нецелесооб­ разно, так как прочностные свойства при этом изменяются незначительно, а электропровод­ ность и пластичность снижаются. Кроме того, с увеличением содержания циркония ухудшается технологичность медно-циркониевых сплавов.

Упрочнение сплавов системы Cu-Zr от дисперсионного твердения начинается с кон­ центрации 0,02 % Zr и выше (рис. 6.33). Нали­ чие максимума на кривых изменения твер-

Полуфабрикаты и области применения

Листы, лента, прутки, полосы коллекторные, электроды сварочных аппаратов и детали, кото­ рые должны сочетать высокую тепло- и элек­ тропроводность с жаропрочностью

вающий гетерогенное зарождение частиц фазы Cu5Zr при распаде твердого раствора [106].

В настоящее время в промышленности применяется циркониевая бронза БрЦрО,4% содержащая 0,3...0,5 % Zr (табл. 6.28). Ее ис­ пользуют в тех случаях, когда требуется соче­ тание высокой электро- и теплопроводности с жаропрочностью. Хотя при нормальной темпе­ ратуре циркониевая бронза по прочностным свойствам несколько уступает хромовой, но она имеет более высокую электропроводность и пластичность. При высоких температурах прочностные свойства циркониевой бронзы БрЦрО,4 и хромовой БрХ близки, однако цир­ кониевая бронза выгодно отличается от двой­ ной хромовой тем, что в интервале температур 400...600 °С она не имеет провала пластично­ сти (табл. 6.29).

Бронза хорошо обрабатывается давлением

вгорячем и холодном состоянии, паяется, удов­ летворительно обрабатывается резанием, корро­ зионная стойкость ее такая же. как у меди.

Основой хорошего качества сплава явля­ ется применение бескислородной меди высо­ кой чистоты или меди, полученной при плавке

ввакууме, инертной или защитной среде. Цир­ коний вводят в расплав в чистом виде или в виде лигатуры (30...50 % циркония). Плавка меди, легирование и литье производится в за­ щитной среде или в вакууме при строгом тем­ пературно-временном режиме. Цирконий - химически активный металл, и он интенсивно окисляется прй плавке в окислительной атмо­ сфере, поэтому качественные слитки получают при вакуумной плавке. Необходимо отметить, что применение вакуумной плавки для произ­ водства сплавов системы Cu-Zr повышает их механические и технологические свойства.

Физические, механические, технологиче­ ские свойства и режимы обработки цирконие­

вой бронзы БрЦрО,4 приведены в табл. 6.30...6.32.

Сплавы системы Cu-Zr, применяемые за рубежом

Взарубежной практике цирконий приме­ няется в качестве одного из основных леги­ рующих элементов при производстве низколе­ гированных жаропрочных проводниковых сплавов на основе меди.

Втабл. 6.33 приведены свойства и режи­ мы обработки стандартного сплава С15000 (США), содержащего 0.1...0,2 % Zr. Сплавы близкого состава имеются в стандартах Герма­ нии, Франции, Англии и Японии.

Вотличие от сплавов системы Cu-Сг. где дисперсионное упрочнение достигается за счет выделения при старении дисперсных частиц практически чистого хрома, в сплавах системы Cu-Zr упрочнение происходит за счет выделе­ ния дисперсных частиц интерметаллида цир­ кония Cu5Zr. При содержании циркония от 0.01 до 0.2 % сплавы можно нагревать под закалку в

широком интервале температур 700...960 °С [103]. Это дает важные технологические пре­ имущества перед другими термически упроч­ няемыми медными сплавами. При закалке сплавов системы Cu-Сг и других жаропрочных медных сплавов, имеющих узкий интервал температур нагрева под закалку, нагрев осуще­ ствляется до предельно высоких температур (~1000°С). В результате этого может образо­ ваться крупнозернистая структура или струк­ тура с неоднородным размером зерен по сече­ нию полуфабриката, что приводит к нежела­ тельному изменению свойств. Такой неодно­ родности структуры не наблюдается при тер­ мической обработке изделий из сплавов систе­ мы Cu-Zr.

6.29.Механические свойства и удельное электросопротивление низколегированных медных сплавов

#1 Холодная деформация на 50 %.

*2 Закалка с 959 °С + холодная деформация на 50 % + старение при 450 °С в течение 4 ч. Закалка с 1000 °С + холодная деформация на 50 % + старение при 450 °С в течение 4 ч.

*4 Длительная часовая твердость.

ю

£

СПЛАВЫ МЕДНЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ

Сплав Cu-0,08 % Zr, обработанный по режиму: закалка с 760 °С, холодная прокатка с суммарным обжатием 50 %, старение при 450 °С в течение 2 ч, обладает минимальной анизотропией механических свойств. При ме­

разницу в свойствах трудно получить при тер­ момеханической обработке других двухкомпонентых жаропрочных низколегированных мед­

ных сплавов. Например, свойства сплава Си-0,08 % Сг вдоль направления прокатки составляют: ав = 350 МПа, 8 = 7%, поперек - ав= 330 МПа, 8 = 3,0% [103].

Сплавы системы Cu-Zr имеют высокую жаропрочность и проявляют малую чувстви­ тельность к концентраторам напряжений. У других проводниковых медных сплавов, на­ пример сплавов системы Cu-Сг, предел дли­ тельной прочности при испытаниях на образ­ цах с надрезом резко снижается (табл. 6.34).