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

турным анализом: определялось изменение параметра кри­ сталлической решетки твердого раствора по способу «косо­ го вращения» образцов [230], который обеспечивает точ­ ность измерения параметра решетки порядка 0,001 кХ.

Из данных об изменении микротвердости сплавов при различных температурах отпуска (100—600р) следует (рис. 57), что наиболее высокое значение ее (125 кг/мм2) в зака­ ленном состоянии имеет сплав со свинцом (4% олова, 3% цинка, 3% свинца). Вместе с тем в этом же сплаве микро­ твердость после отпуска в течение 3 ч при 600° оказывается ниже, чем в двойном (4% олова) и тройном сплавах с цин­ ком (4% олова, 3% цинка).

Измерение микротвердости в зависимости от продолжи­ тельности отпуска (30 мин и 3 ч) показывает, что 30-минут­ ная термообработка закаленных сплавов при 300° является недостаточной для проявления старения. Более длительная, 3-часовая, выдержка при отпуске приводит к более полному развитию старения : на это указывает увеличение твердения при 300° у сплава с 4% олова и 3% цинка и площадка на кривой микротвердости в этой же температурной зоне у свинцовистых бронз. При более высоких температурах сплавы разупрочняются, причем особенно резко те, которые содержат свинец.

Эти данные свидетельствуют об активном влиянии свин­ ца на развитие диффузионных процессов в оловянистых бронзах. Свинец, по-видимому, ускоряет эти процессы и та­ ким образом не позволяет уловить начальные стадии рас­ пада пересыщенных сплавов, когда возникает твердение.

Активная роль свинца подтверждается также результа­ тами рентгеноструктурного анализа. У сплавов, содержащих свинец, параметр кристаллической решетки твердого ра­ створа больше, чем у обычных оловянистых и оловянно­ цинковых бронз. Эта разница (около 0,25 кХ) максималь­ на для закаленных сплавов. С температурой отпуска она уменьшается и вблизи 600 составляет уже около 0,010 кХ, что прямо указывает на вхождение свинца в твердый ра­ створ оловянистых бронз при их закалке и на уменьшение растворимости этого элемента в процессе отпуска.

Влияние условий литья на строение слитка и развитие превращений в промышленных оло­ вянистых бронзах

Оловянистые бронзы имеют широкий интер­ вал кристаллизации и в связи с этим отличаются резко вы­ раженной дендритной структурой в литом состоянии. Вялое

130

протекание диффузии в этой системе вызывает при относи­ тельно высокой скорости охлаждения развитие сильной ликвации как по сечению всего слитка, так и внутри от­ дельных дендритов. Концентрация более легкоплавкой со­ ставляющей сплава в периферийных слоях зерна оказыва­ ется значительно выше, чем в его центральных участках.

Особенности дендритного строения оловянистых бронз зависят от скорости кристаллизации расплава. При про­ чих равных условиях (температура литья, скорость запол­ нения формы) наиболее грубую структуру имеют слитки, отлитые в чугунную изложницу, наиболее тонкое строение дендритов обнаруживается у сплавов, закристаллизовав­ шихся в медных формах, охлаждаемых водой. Разница в структуре оловянистых бронз, отлитых с разной скоростью отвода тепла, сохраняется и в деформированных образцах. »Внутридендритная ликвация в двойных и сложных оловя­ нистых бронзах устраняется крайне медленно. В работе [231] приводятся данные Перримена о том, что участки границ зерен после деформации и отжига сохраняют вы­ сокую концентрацию олова.

Особенности строения реального слитка оловянистых бронз, возникающие при увеличении скорости кристаллиза­ ции, не исчерпываются появлением дендритной неоднород­ ности, рассеянной пористости и обычной ликвации. Извест­ но, что в этих сплавах в сильной степени проявляется так называемая «обратная ликвация», приводящая к обогаще­ нию поверхностных слоев слитка легкоплавкой составляю­ щей. Это явление возникает в связи с выдавливанием обо­ гащенной оловом части расплава из междендритных обла­ стей в периферийные слои слитка под воздействием объем­ ных изменений и газов, выделяющихся из металла во время затвердевания.

Выделения ликвата имеют локальный характер и рас­ полагаются на поверхности слитка в виде отдельных пятен («оловянистый пот»). Они содержат до 15% олова и состоят в основном из S-фазы, имеющей очень низкую пластич­ ность. Именно появлением богатого оловом ликвата часто объясняют растрескивание оловянистых бронз при прокат­ ке. Однако тщательный анализ характера и расположения трещин на промышленных слитках бронз Бр.ОФ6,5-0,15 и Бр. ОЦС4-4-2,5 показал, что ликвационные выделения носят хаотический и локальный характер: трещины, образую­ щиеся на этих участках, возникают обычно на первом про­ кате и отличаются от трещин, которые появляются в про­ цессе дальнейшей обработки в результате общего пониже­ ния пластичности [193].,

Ї34

В работе [232J проведено специальное определение не­ равномерности распределения компонентов по сечению пло­ ских слитков бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5. Для оценки влияния скорости охлаждения на развитие ликвации слитки отли­ вали в разные изложницы: чугунную, медную и медную водоохлаждаемую при одинаковой температуре расплава (1280°) и постоянной скорости заполнения формы (20 мм/сек) по высоте. Из середины слитка вырезали продольный темплет и изготовляли образцы диаметром 20 мм. Путем постепенной обточки образца со снятием слоев толщи­ ной 1 мм и анализа стружки получили данные о распреде­ лении компонентов сплава по толщине слитка. Наименьшее изменение состава в поверхностных слоях было найдено при отливке в медную, не охлаждаемую водой изложницу. Лик­ вация олова по сечению слитка оказывается весьма замет­ ной, абсолютная величина отклонения содержания этого элемента от средней концентрации составляет ±0,8%. Ден­ дритная микронеоднородность в этом случае сильно возрас­ тает, хотя фазовый состав проб еще не меняется.

Влияние ликвации заметно сказывается на свойствах оловянистых бронз. В слитках, отливаемых в медные водо­ охлаждаемые изложницы, в ряде случаев появляются вну­ тренние трещины на границах дендритов, т. е. на участках, обогащенных оловом. Весьма характерной для этих спла­ вов является совместная «обратная ликвация» олова и свин­ ца. Концентрация этих элементов от центра к периферии пробы изменяется одинаково. Отклонения в содержании цинка по сечению образца незначительны, т. е. его ликва­ ции в условиях выбранных скоростей охлаждения практи­ чески не наблюдается. Обогащение поверхностных слоев слитка и междендритных пространств оловом приводит к усилению влияния процесса старения в этих зонах и вызы­ вает резкую неравномерность изменения свойств в процессе термической и деформационной обработки. В ряде случаев это может привести к появлению локализованных поверх­ ностных и внутренних трещин.

Таким образом, прямое определение концентрации в ми­ крообъемах сплавов, затвердевших При разных скоростях охлаждения, подтверждает не только сам факт концентра­ ционной микронеоднородности, возникающей при литье, но и влияние на степень этой неоднородности скорости кристал­ лизации. Однако кроме неравновесности, определяемой образованием макро- и микронеоднородности, в этом случае Наблюдается неравновесность, связанная с образованием закаленных твердых растворов, вследствие весьма вялой ки­ нетики диффузии олова в меди.

132

Экспериментальным путем установлено [193], что ре­ альные скорости кристаллизации и охлаждения при литье промышленных сплавов в металлические формы (чугунные и медные водоохлаждаемые или в кристаллизатор при не­ прерывных методах литья) находятся в диапазоне скоростей, при которых закалка их практически оказывается возмож­ ной. Естественно ожидать, что при последующей термиче­ ской и деформационной обработке такие сплавы подверже­ ны старению, развитие которого определяется условиями кристаллизации слитков. Именно неравновесность литых сплавов и очень медленное протекание процессов стабилиза­ ции, в частности распада пересыщенных твердых раство­ ров, объясняют особенности поведения оловянистых бронз в условиях производства.

При прокатке оловянистых бронз Бр.ОЦС4-4-2,5 зача­ стую наблюдается поверхностное разрушение металла с ло­ кализацией трещин в донной части слитков. Это явление, как правило, обнаруживается на первых прокатках загото­ вок, отливаемых в медные водоохлаждаемые изложницы. Вероятно, слои металла в этой зоне слитка имеют понижен­ ную пластичность в связи с особенно высокой неравновесностью, обусловленной образованием пересыщенного твердого раствора при литье и его распадом при дальнейшей обра­ ботке сплава.

Цля изучения этого вопроса в работе [212] были иссле­ дованы особенности протекания старения в оловянистых бронзах, отлитых с разной скоростью охлаждения. Разная степень неравновесности сплавов достигалась в этом случае путем кристаллизации их в чугунную, медную неводо­ охлаждаемую и медную водоохлаждаемую изложницы. Оп­ ределение механических свойств деформированных и отож­ женных образцов производилось после I, III и IV прокаток.

Результаты определения пластичности и прочности, по­ лученные при статическом растяжении образцов, приведе­ ны в таблице 5. Следует сказать, что по принятой методике изготовления образцов самые поверхностные и централь­ ные слои слитка удалялись, поэтому закономерности изме­ нения свойств в зависимости от состояния, обусловленного разной скоростью охлаждения, выявлены в этих опытах не в полной мере.

Как видно из таблицы, в литом состоянии максималь­ ную пластичность имеет металл, полученный в медной во­ доохлаждаемой изложнице, затем следует сплав, отлитый в медную изложницу, которая охлаждалась на воздухе и, наконец, сплав из чугунной изложницы, для которого отно­ сительное‘удлинение оказалась самым низким. Однако уже

133

после первого проката, еще до отжига, картина меняется, и сплав, отлитый в водоохлаждаемую форму, становится наи­ менее пластичным. Его удлинение в шесть раз меньше удлинения образцов, приготовленных из сплава, который кристаллизовался в чугунной изложнице. Разное значение пластичности наблюдается также и у отожженного ме-

Таблица 5

Изменение механических свойств бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 в зависимости от состояния образцов

Медная водоох­ Медная неводооѵЧугунная неводо­ лаждаемая форма лаждаемая форма охлаждаемая фор-

Технологичес-

форму, и далее еще остается несколько пластичнее по срав­ нению с другими. Показатели прочности меньше зависят от состояния, обусловленного кристаллизацией и дальней­ шей обработкой слитков.

Бронзы, отливаемые в медную неводоохлаждаемую из­ ложницу, занимают по механическим свойствам промежу­ точное положение, однако они значительно ближе к спла­ вам, которые кристаллизовались в медной водоохлаждае­ мой форме. Это и понятно, если учесть, что большая масса медной изложницы и высокая теплопроводность меди соз­ дают условия для более интенсивного охлаждения металла по сравнению с охлаждением в чугунной форме.

Наблюдаемые изменения свойств сплава в зависимости от состояния, на наш взгляд, объясняются образованием при интенсивном охлаждении сильно пересыщенного твер­

134

дого раствора, имеющего достаточно высокую пластич­ ность. Однако в процессе деформации при прокатке начина­ ется его распад, приводящий к резкому снижению удлине­ ния уже после первой операции.

Этот процесс, начавшийся во время деформации, полу­ чает дальнейшее развитие при отжиге деформированных полос, что проявляется в пониженной пластичности прока-

Рис. 58. Влияние деформации на механические свойства бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 при литье: 1 — в

медную водоохлаждаемую излож­ ницу; 2 — не охлаждаемую во­ дой ; 3 — чугунную изложницу.

Степені деформации,/

тайного и отожженного металла. И только на последних стадиях деформационной и термической обработки старе­ ние сплава завершается и он переходит в равновесное со­ стояние.

Явление закалки и старения оловянистых бронз известно давно. Однако возможность развития этих процессов в про­ изводственных условиях и их влияние на технологичность сплавов в связи с различными условиями кристалли­ зации впервые показаны в работе [193]. На рисунке 58 приведены данные об изменении механических свойств об­ разцов бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5, взятых от слитков, получен­ ных с разной скоростью охлаждения и прокатанных до од­ ной и той же степени деформации. Как следовало ожидать, наибольшая пластичность в литом состоянии обнаружива­ ется у сплава, отлитого в водоохлаждаемую медную излож­ ницу, удлинение образцов в этом случае составляет 40%. Уже после деформации на 10—15% удлинение понижается до 20%. Характеристики пластичности сплавов из медной

Сплав, отлитый в водоохлаждаемую форму, не выдержива­ ет деформации более 40%. /Относительное удлинение его

135

ііосле предварительного обжатия на 40% составляет всего1 1,2%. В то же время образцы от слитков, полученных в чу­ гунной форме, имеют удлинение, равное 6,5%.

При установлении зависимости свойств сплавов от со­ става чаще всего не учитывается их предыстория. Считает' ся, что многократная деформация и термическая обработка устраняют те отклонения в строении, которые были вызваны особенностями приготовления металла. Оказывается, одна­ ко, что влияние этого фактора очень устойчиво и действует в продолжение всего периода обработки металлических ма­ териалов. Это может быть иллюстрировано следующими опытами [212]. Часть заготовок оловянистых бронз, прока­ танных с различной степенью деформации, отжигалась, и из отожженного металла были изготовлены образцы для разрыва. Оказалось, что пластичность деформированных и отожженных образцов из слитка, отлитого в водоохлаждае­ мую форму, быстро падает с повышением степени дефор­ мации и становится ниже, чем для сплавов, полученных в чугунных и медных, не охлаждаемых водой формах. Таким образом, даже после рекристаллизационного отжига меха­ нические свойства бронзы, отлитой в водоохлаждаемую фор­ му, не восстанавливаются в полной мере. Последнее свиде­ тельствует о том, что закономерности распада пересыщен­ ных твердых растворов в сплавах, кристаллизовавшихся с разной скоростью отвода тепла, различны. Создается пред­ ставление, что при каждом варианте кристаллизации воз­ никают совершенно новые сплавы, свойства которых раз­ личны не только после литья, но и на протяжении всего цикла термических и деформационных обработок, посте­ пенно и очень медленно приближающих их к некоторому среднему состоянию.

Такое предположение может оказаться реальным, если закалка при литье в каждом случае фиксирует не только разные количества растворенного компонента в твердом растворе, но и разные формы самой меди. Тогда представ­ ление о метастабильности, возникающей при кристаллиза­ ции, должно включать в себя и этот элемент состояния сплава.

Эффект закалки промышленных сплавов особенно ясно виден на примере бронз Бр.ОЦС4-4-4, где он проявляется на­ много ярче, чем у сплавов Бр.ОЦС4-4-2,5 и Бр.ОФ6,5-0,15.

Образцы проката бронзы Бр.ОЦС4-4-4 деформировали на 40%, затем отжигали Зч и закаливали с разных темпера­ тур (от 100 до 800°) в соленой холодной воде, а также ох­ лаждали на воздухе в пачке прогретого вместе с образцами асбеста. Как видно из рисунка 59, твердость образцов, рез­

136

ко охлажденных после отжига, во всех случаях меньше твердости медленно охлажденного сплава. Наибольшая раз­ ница в свойствах, вызванная способом охлаждения, наблю­ дается в интервале 600—700°.

Большой интерес представляет исследование свойств сплавов, закаленных из жидкого состояния. Этот способ

Рис. 59. Твердость бронзы Бр.ОЦС4-4-4: 1, 2 — разные образцы.

весности, фиксируемой при литье. В условиях производства так закаливаются лишь самые поверхностные слои тонкого слитка при литье с высокой скоростью кристаллизации и интенсивном последующем охлаждении. Исследование та­ кого высокометастабильного сплава позволяет полнее изу­ чить зависимости изменения свойств от условий литья и кристаллизации.

Опыты по закалке из жидкого состояния простых и сложных оловянистых бронз показали, что при резком ох­ лаждении расплава, действительно, фиксируется пересы­ щенный твердый раствор, который распадается при даль­ нейшей термической обработке. Весьма интересен своеоб­ разный колебательный характер этого процесса, связанный, вероятно, со сложностью стабилизации вследствие высокой степени неравновесности образцов в закаленном состоянии. Микроанализом установлено, что оловянистые бронзы, за­ каленные из жидкого состояния, имеют мелкодендритное строение, которое при отпуске без деформации постепенно переходит в нормальную полйэдрическую структуру, свой-

137

-ственную обычно деформированным и отожженным спла­ вам.

Закалка из жидкого состояния часто фиксирует значи­ тельно более высокую пересыщенность твердого раствора, чем это может быть при обычной закалке высокотемпера­ турного твердого раствора. Такие данные известны для сплавов алюминия с медью [233] и марганцем [234]. Не­ обычно высокая пересыщенность кристаллической решет­ ки атомами легирующего компонента приводит в дальней­ шем к особенно интенсивному процессу распада и может вызвать аномально высокую пластичность, если он проте­ кает в момент деформации при высоких температурах.

Из результатов изучения механических свойств и рас­ пада твердого раствора в двойных и сложных оловянистых бронзах следует, что развитие этого процесса при наложе­ нии напряжений коренным образом меняет результат плас­ тического формоизменения [217, 219]. Следовательно, меж­ ду состоянием бронз, развитием распада при последующем деформировании и результатами последнего существует прямая связь. Обнаруживается определенная корреляция между изменением кристаллической структуры и развити­ ем зоны хрупкости в оловянистых бронзах в зависимости ■от исходного состояния. Кристаллическая структура в дан­ ном случае изменяется вследствие распада сс-фазы, проте­ кающего по двухфазному механизму. Видимо, именно этот процесс и ответствен за появление зоны хрупкости не только у двойных, но и у сложных оловянистых бронз.

Причиной же распада сплавов по двухфазному механиз­ му может быть существование разных форм меди, образую­ щих разные твердые растворы с легирующими элемента­ ми. При таком рассмотрении экспериментальных данных возникает предположение об общности причины развития зоны хрупкости во всех системах, построенных на основе меди, поскольку превращения, вызывающие хрупкость при деформировании, оказываются в конечном итоге связанны­ ми с изменением состояния самой меди.

Особенности технологии литья и проката оловянистых бронз

Разница в технологии получения сплавов тіа разных заводах определяется способами и режимами литья слитков. Совершенствование этого процесса преду­ сматривает постепенный переход от чугунных изложниц к медным неводоохлаждаемым формам, к медным, охлаж­ даемым водой и, наконец, к бесструйному литью.

138

Опыт показал, что полунепрерывное литье оловяниетых бронз (за исключением крупных слитков Бр.ОЦ4-3) связано со значительными трудностями. Они обусловлены широким интервалом кристаллизации этих сплавов, приводящим к ярко выраженной зональной ликвации, появлению на по­ верхности слитков продольных наплывов, которые не уда­ ется устранить подбором температуры литья и скорости вы­ тягивания слитков [235, 236].

Качество слитка наиболее существенно определяется скоростью литья. По данным [237], необходимым услови­ ем получения плотного слитка является равенство скорос­ тей литья и кристаллизации. Это условие можно выразить произведением линейной скорости заполнения формы на толщину слитка, которое для каждого сплава приблизи­ тельно одинаково [237]. Так, для бронзы Бр.ОФб, 5-0,15, заливаемой в медную изложницу, оно составляет 220— 250 мм21сек, а для бронз Бр.ОЦС4-4-2,5—250—300 мм2/сек.

При переходе к чугунным формам более благоприятным является другое сочетание параметров, и величина их про­ изведения равна 130—180 мм21сек. А. В. Любешкин ре­ комендует заливать сплавы при низкоскоростном литье лри температуре 1250—1280° (Бр.ОФб,5-0,15) и 1180—1200° (Бр. ОЦС4-4-2.5).

Условия получения плотного слитка при низкоскорост­ ном литье бронз Бр.ОФб,5-0,15 и Бр.ОЦС4-4-2,5 приводятся ниже [237]

дает плотные заготовки и позволяет выдержать оптималь­ но-скоростной режим литья при производстве тонких (25— :27 «) и толстых (40—42 тя) слитков. Однако в этом

•случае их поверхность часто растрескивается, что обуслов­ лено эффектом закалки наружных слоев. Двойная фрезе­ ровка подката со снятием в стружку 0,7—0,8 мм с каждой стороны позволяет значительно уменьшить брак на лентах Бр.ОФб,5-0,15 по пленам и другим дефектам литейного про­ исхождения.

Важным параметром, от которого зависят плотность и механические свойства сплава, является скорость кристал­

139