книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии

но поэтому кремнистые латуни, содержащие никель, после закалки и отпуска способны к упрочнению.

Присадка кремния улучшает механические свойства а-латуней и повышает их коррозионную стойкость. По дан­ ным работы [200], прочность латуней с содержанием меди от 68 до 85 % при добавлении 0,5—2% кремния увеличивает­ ся на 10—25 кг/лоі2 в холоднокатаном состоянии и на 10— 15 кг!мм2 в отожженных сплавах при незначительном уменьшении относительного сужения и заметном увеличе­ нии удлинения. Твердость под влиянием кремния резко воз­ растает. Особенно сильное действие этот элемент оказывает на твердение деформированных а-латуней в процессе отжи­ га. Из рисунка 39, построенного по данным работы [200], видно, что твердость при отжиге возрастает на 15—16% по сравнению с ее величиной для исходного состояния, а эффект твердения смещается в область более высоких тем­ ператур. Разупрочнение тройных латуней также начинается при более высоких температурах, и, несмотря на интенсив­ ное снижение твердости в результате рекристаллизации (300—400°), вплоть до 800° кремнистые латуни сохраняют значительное сопротивление деформации, т. е. они являют­ ся более жаропрочными материалами, чем двойные сплавы. Судя по этим данным, кремний оказывает заметное влия­ ние на протекание процессов рекристаллизации и упорядо­ чения a-твердого раствора в системе медь — цинк, на вели­ чину фазового наклепа. Повышение прочностных характе­ ристик в рекристаллизованных сплавах с кремнием, вероят­ но, обусловлено усилением межатомных связей в кристал­ лической решетке твердого раствора под влиянием этого элемента.

При исследовании механических свойств кремнистых латуней, близких к стехиометрическому составу Cu3Zn, с разным содержанием меди, кремния и железа обнаружено, что присадка кремния в принципе не меняет температурной зависимости пластичности а-латуней. Однако при добавле­ нии даже небольших количеств этого элемента (0,16%) про­ исходит трансформация зоны хрупкости, а также заметное изменение сужения и удлинения в интервале старения (100—200°) и при высоких температурах.

Присадка 0,5% кремния приводит к увеличению плас­ тичности и ослаблению тепловой хрупкости. Таким обра­ зом, кремнистая латунь Л75 с 0,16—0,5% кремния имеет более высокие пластические свойства по сравнению с Л70 и Л75 при всех температурах. Особенно эффективно дейст­ вие этого элемента при 300—450°, где относительное суже­

90

ние образцов возрастает более чем в два раза (рис. 40, а). Согласно коэффициенту Гийе, кажущийся состав Л75 при введении 0,5% кремния должен соответствовать бинар­ ному сплаву Л70. Однако, как видно из рисунка 40, плас­ тичность латуней Л70 и Л75 + 0,5% Si и ее температурный

Рис. 39. Твердость кремнистых латуней [200] : 1 — 68,2% меди; 2 — 75,54% меди+0,57% кремния; 3— 67,65% меди+0,54% кремния; 4.-84,87% меди+ +2,12% кремния.

ход существенно различны. По-видимому, действие крем­ ния не сводится к эквивалентному замещению атомов цин­ ка, а состоит в более сложном физико-химическом взаимо­ действии его с компонентами сплава.

При высоких температурах сужение всех а-латуней име­ ет максимальное значение (1,0), тогда как удлинение в за­ висимости от состава изменяется достаточно сильно. Бинар­ ная латунь Л75 вблизи 800° переходит в сверхпластичное

91

состояние (рис. 40, б) при удлинении образцов 138%. При­ садка 0,5% кремния затормаживает этот процесс, понижая удлинение до 110%.

Рис. 40. Влияние температуры на сужение (а), удлинение (б) и предел прочности (в) отожженных латуней:

1 — Л70; 2 — Л75; 3 — Л75+О,5°/о

кремния.

kj

ё

о и 2_ 3

Г-

VI і\ ?

А V/

А

Ли

о гоо wo боодоо ¿"с

При введении кремния латуни становятся более прочны­ ми практически при всех температурах (рис. 40, в). При 20° прочность возрастает с 25 до 35 кгімм2. Наиболее заметно действие кремния в области старения, вблизи 200° упрочне­

92

ние достигает 12 кгімм2. В интервале 100—300° прочност­ ные свойства латуней под влиянием температуры не меня­ ются, разупрочнение начинается с 350° и протекает доста­ точно интенсивно, хотя повышенная прочность кремнистых латуней по сравнению с простыми наблюдается и при высо­ ких температурах.

6

Pire. 41. Влияние температуры на сужение (о) и удлинение (5) латуни Л75+О,5°/о кремния с разным содержанием железа, % : 1 — 0,009; 2 —

0,042; 3 — 0,18.

Действие кремния на свойства сплавов не находится в прямой зависимости от его содержания. Замечено, что при добавке его свыше 0,5% пластичность латуней снижается, особенно в зоне хрупкости, но проявление сверхпластично­ сти усиливается, удлинение в сплавах с 0,68% Si достигает 170%. Из этого следует, что кремний в зависимости от кон­ центрации не только тормозит, но, вероятно, в определен­ ных случаях ускоряет диффузионные процессы в латунях, что и проявляется в большем или меньшем развитии тепло­ вой хрупкости и сверхпластичности. Если судить по изме­ нению механических свойств, то замедление диффузии ярче всего проявляется при добавлении 0,5% кремния. В этом случае обнаруживается наименьшее развитие зоны хруп­ кости и самые слабые признаки сверхпластичности. При увеличении содержания кремния до 0,68% происходит, на­ оборот, активизация диффузии, приводящая к максималь­ ному выражению того и другого эффекта.

93

заметным увеличением сопротивления пластической дефор­ мации проявляют повышенную склонность к тепловой хрупкости.

Усиление эффекта сверхпластичности под влиянием же­ леза наблюдается в очень узком интервале температур и по­ ка без дополнительных исследований не имеет практичес­ кого значения, следовательно, не может изменить общее за­ ключение об отрицательном действии этого элемента на тех­ нологические свойства кремнистых латуней.

Обогащение сплавов примесью железа может усилить растрескивание слитков при охлаждении после затвердева­ ния, затруднить холодную и горячую деформацию их. В свя­ зи с усилением диффузии в этом случае повышается вероят­ ность образования аномальной структуры (рост зерна) ма­ териала при термической обработке по режимам, установленным для обычных сплавов. Во избежание всех этих явлений, осложняющих производственный процесс, со­ держание примеси железа в кремнистых латунях не долж­ но превышать 0,01 %.

При исследовании кремнистых латуней с различным содержанием меди (73, 75, 77%) установлено, что в резуль­ тате присадки кремния к латуни стехиометрического соста­ ва Сизйп (Л75) получается более технологичный сплав по сравнению с другими. Он пластичнее при комнатной темпе­ ратуре и отличается меньшим сопротивлением деформиро­ ванию, имеет наиболее узкую зону хрупкости и широкий интервал горячей обработки.

Необходимо заметить, что одной из особенностей крем­ нистых латуней является их высокая наклепываемость при холодной деформации и усиление упрочнения при отжиге в области 50—200°. Как показали наши опыты, прочность этих латуней после наклепа на 80 % возрастает в четыре ра­ за по сравнению с исходным значением. Вероятно, этот эф­ фект связан с особенностью изменения тонкой структуры деформированных а-латуней, содержащих кремний, с появ­ лением высокого и устойчивого фазового наклепа при раз­ витии процесса «порядок — беспорядок», проявляющегося во время термического и деформационного старения. Пла­ стичность латуней в этом случае резко снижается (до 0,0— 0,1 по сужению).

Стабилизация деформированных (разупорядоченных) сплавов путем низкотемпературного отжига позволяет по­ высить пластические и снизить прочностные характеристи­ ки, хотя механический и фазовый наклеп при этом полнос­ тью не устраняется. Эти данные необходимо иметь в виду при оценке эксплуатационных свойств кремнистых латуней.

95

Исследование пластичности простой (Л75) и кремнистой (Л75 + 0,5% Si) латуней при разной скорости растяжения показало, что присадка кремния в указанном количестве приводит к такому же изменению сужения и удлинения при средних температурах, как и повышение скорости де­ формации от 4 до 1000 ммімин. В зоне хрупкости они уве­ личиваются в два раза. Таким образом, и из этих данных следует, что кремний задерживает развитие превращений в латунях, вызывающих появления этой аномалии.

В области высоких температур, где наблюдается сверх­ пластичность, закономерность связи максимального удли­ нения а-латуней со скоростью растяжения при введении кремния изменяется. У обычных латуней эта характеристи­ ка неуклонно снижается с повышением скорости разрыва, а у кремнистых она сначала возрастает, а затем падает, как и у чистой меди [67]. Разными в этих случаях являют­ ся лишь оптимальные скорости деформации : для меди — 960 ммімин, а для кремнистых латуней — 500 мм/мин.

Эксперименты показывают, что у меди при развитии сверхпластичности в диапазоне скоростей 4—960 мм/мин удлинение возрастает в 1,7 раза, у простых латуней умень­ шается в 1,3 раза, а у кремнистых увеличивается в 1,2 раза. Из данных следует, что кремний в какой-то степени пара­ лизует действие цинка на медь, оказывая прямо противо­ положное влияние на свойства при изменении скорости растяжения.

* ф $

Итак, при совместном исследовании меди, простых и сложных латуней нами замечен ряд общих закономерно­ стей изменения их свойств в зависимости от различных факторов.

1. Латуни, как и медь, стареют после закалки и дефор­ мации вследствие развития стабилизирующих процессов, которые можно характеризовать как переходы к разным упорядоченным твердым растворам. Латуни упорядочива­ ются ниже 600° и образуют изоморфные упорядоченные фазы со слабой разницей в свойствах. Процессы упорядоче­ ния и изоморфные переходы твердых растворов в латунях заторможены, однако их влияние на свойства полуфабрика­ тов при определенных условиях может быть очень значи­ тельным. Скорее всего именно эти структурные превраще­ ния лежат в основе таких широко известных явлений, как «сезонная болезнь», самопроизвольное изменение размеров деталей, твердение при отжиге, нестабильность свойств, пониженная коррозийная стойкость.

96

2. У простых и сложных латуней, как и у меди, при сред­ них температурах имеется зона тепловой хрупкости, кото­ рая в общем случае развивается в несколько провалов пла­ стичности. При изменении условий литья и обработки про­ валы усиливаются или ослабевают, смещаются к более вы­ соким или низким температурам. Связь провалов пластич­ ности у латуней с превращениями в твердом состоянии не вызывает у нас никакого сомнения. Есть основания считать, что превращения в простых и сложных латунях связаны с изменением состояния самой меди. В этом случае обуслов­ ленность провалов пластичности внутрикристаллическими процессами бесспорна.

3. Все латуни, как и медь, при определенных условиях переходят в сверхпластичное состояние. Эффект сверхпла­ стичности, обнаруживаемый у деформированной меди в об­ ласти высоких температур, при введении цинка развивается интенсивнее, причем увеличение концентрации последнего усиливает активизирующее влияние пластической деформа­ ции на это явление. Образование всплеска пластичности вместо провала в данном случае исключает всякую связь последнего с порчей границ зерен.

4.Действие предварительной деформации на свойства латуней такое же, как и на свойства меди, хотя имеются не­ которые особенности, связанные с присутствием цинка и других легирующих элементов.

5.Развитие превращений концентрационного типа (вбли­ зи стехиометрических составов Cu3Zn и CugZn) и темпера­ турного (около 350, 550, 700 и, вероятно, 850°) усложняет обработку и эксплуатацию латуней. Сложное легирование приводит к существенной трансформации аномалий свойств, подавляя одни из них и усиливая другие, вызывая иногда совершенно неожиданные явления. У латуней сложного со­ става появляются аномалии свойств, связанные с превра­ щениями при изменении насыщения твердых растворов. В этом случае наблюдается необычное изменение свойств, как, например, высокая пластичность у матричных латуней или сверхпластичность у сплавов группы ЛС59-1.

6.Предложенный ранее [109] вариант строения области a-твердого раствора системы медь — цинк, хотя и подтвер­ ждается данными по сложным латуням, однако оказывается явно недостаточным для объяснения всех аномалий свойств,

вчастности тех, которые имеют место вблизи температур

700 и 850°.

7-192

ГЛАВА 3. ОЛОВЯНИСТЫЕ БРОНЗЫ

Оловянистые бронзы относятся к металличе­ ским материалам, известным с давних времен, однако, не­ смотря на это, их строение и свойства изучены еще недоста­ точно. Особенно мало исследованы широко применяемые в настоящее время сложные бронзы, в состав которых кроме олова входят цинк, фосфор, свинец и другие элементы.

Строение и свойства бинарных оловянистых бронз

Наиболее систематическое обобщение дан­ ных, имевшихся к тридцатым годам, о строении и свойствах оловянистых бронз выполнено Г. К. Дьюсом [201]. Обшир­ ный обзор литературы по этим сплавам приведен также М. Хансеном и К. Андерко [171]. В последнее время опу­ бликовано значительное количество работ по отдельным во­ просам, касающимся структуры и свойств твердых раство­ ров меди с оловом. Основные представления об их природе существенно не изменились, хотя более поздними исследо­ ваниями были внесены важные уточнения в строение диа­ граммы состояния и отмечены особенности поведения техни­ ческих сплавов в различных условиях.

Общепринятая диаграмма состояния системы медь — олово приведена на рисунке 42 [171]. В ее основе, как и в основе рассмотренной выше диаграммы медь — цинк, ле­ жит несколько простых перитектических реакций, в резуль­ тате которых образуется ряд различных по строению интер­ металлических фаз. Сплошные линии на этой диаграмме от­ носятся к равновесным сплавам, пунктирные — к бронзам с различной степенью неравновесности.

Скорость диффузии олова в меди на три порядка мень-

98

ще, чем, например, алюминия. Поэтому все диффузионные процессы, обеспечивающие развитие превращений в оловянистых бронзах, протекают крайне медленно по сравнению

цию и длительный отжиг) резко сни-Рис- 42- Диаграмма состоя-

Растворимость олова в меди в равновесном состоянии оп­ ределялась многими исследователями [201—211]. В более ранних работах предел насыщения a-твердого раствора от­ носили к 16 вес.% и считали, что он не меняется при повы­ шении температуры. Хейкок и Невилл [206], выполнившие микроскопический анализ сплавов, закаленных с 800°, на­ шли растворимость олова в меди равной 10 % и неизменной до комнатной температуры. В работе [207] эти данные под­ тверждены методом электросопротивления, однако предел растворимости при 799° указан равным 11%. По Стокдейлю [208], в меди растворяется значительно больше олова, чем было установлено ранее.

Результаты, полученные Стокдейлем относительно ин­ тервала температур 800—520°, согласуются с данными Хан­ сена [209], хотя уже он утверждал, что ниже 520° раствори-

99