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

лизации слитков. Влияние этого фактора на пластичность, бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 было подробно исследовано А. В. Но­ виковым [193]. По его данным, сужение образцов сплава, отлитого в водоохлаждаемую изложницу, выше, однако пос­ ле первого проката и отжига оно становится почти в два ра­ за меньше по сравнению с металлом, отлитым в чугунные и медные неводоохлаждаемые изложницы; постепенное вы­ равнивание механических свойств происходит лишь при дальнейшей обработке.

При освоении литья бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 в водоох­ лаждаемую изложницу на Балхашском заводе [193] у зна­ чительного количества слитков, полученных по этому ме­ тоду, на первых двух прокатах возникали трещины и гру­ бые надрывы на кромках. В связи с этим было опробовано литье в водоохлаждаемую изложницу размерами 52X635 X XI100 мм с последующей разрезкой слитка для устранения некачественной кромки. Отливка крупных слитков облег­ чала литье с меньшими скоростями заполнения формы, что улучшало условия для отвода газов и уменьшало вероят­ ность появления микротрещин и усадочной рыхлоты. К та­ кому же результату должно было бы приводить снижение температуры литья и повышение скорости кристаллизации. Однако, как показывают эксперименты [193], при низкой температуре литья и высокой скорости охлаждения качест­ во слитков ухудшается, повышается степень их неравновесности и возрастает склонность к более резкому измене­ нию свойств при последующем термическом и деформаци­ онном воздействии.

Из всех опробованных вариантов литья бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5 оптимальным оказалось литье с легковыгора­ ющей смазкой (трансформаторное масло) при температуре 1280°, скорости заполнения формы около 15 мм/сек с охлаж­ дением слитка при расходе воды 2,0—3,0 л!сек (при темпе­ ратуре 12—15°).

Лабораторными исследованиями было показано [193], что свойства оловянистых бронз в сильной степени зависят не только от условий термической обработки и деформации,, но и от их предыстории. Изменение состояния сплавов вследствие перехода на тот или иной способ литья часто требует пересмотра всего технологического режима их об­ работки. С целью установления оптимальной технологии производства полуфабриката из бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5, от­ литой в медные водоохлаждаемые изложницы, были опро­ бованы различные варианты обработки опытных партий слитков, полученных в одинаковых условиях (температу­ ра литья 1230—1250°, время 60—70 сек, линейная ско­

140

рость заполнения формы 14—16 ммісек, количество ох­ лаждающей воды около 3,5 лісек, смазка изложницы—мыло и графит — 50/50 %, во избежание случайного повреждения горячих слитков — остывание их в изложнице в течение

10 мин).

Исследовано влияние на качество проката следующих факторов: интенсивности и температурного режима холод­ ной прокатки, режима промежуточных отжигов и глуби­ ны шабровки. Установлено, что все эти факторы играют су­ щественную роль в получении качественной продукции. В частности, значительно влияет на образование трещин теп­ ловой эффект, повышающий температуру металла в про­ цессе холодной обработки до 80—100°. Прокатка части слитков со специальным охлаждением полос водой до 20° дала заметно лучший итоговый результат.

Опыты [193] показали, что технологические свойства сплава существенно зависят от таких факторов, как схема обжатия и даже время вылеживания слитков перед прокат­ кой. Микротвердость сплава Бр.ОЦС-4-4-2,5, отлитого в во­ доохлаждаемую изложницу, через 2,5 месяца возрастает от 95 до 130 кг/мм2, а разброс ее значений по слоям слит­ ка за это же время изменяется от 70—125 до 95—150 кг/мм2. Таким образом, при оценке технологичности оловянистых бронз необходимо учитывать изменение их меха­ нических свойств в результате естественного старения.

Свойства оловянистых бронз улучшаются малыми до­ бавками титана, бора и ферроцерия [238]. Применение до­ бавки, содержащей 0,1% титана и 0,2% никеля, повышаю­ щей пластичность и снижающей микротвердость сплавов (по данным лабораторных исследований), уменьшает обра­ зование трещин при обработке слитков.

Снижение технологического брака по трещинам и пле­ нам при изготовлении лент из бронзы Бр.ОЦС4-4-3 достига­ ется при использовании более чистых шихтовых материа­ лов и правильном раскислении с доведением остаточного содержания фосфора в сплаве до 0,01—0,002%. В качестве защитного флюса применяется прокаленный уголь с добав­ кой смеси буры и кальцинированной соды. Температура литья поддерживается строго в пределах 1200—1230°. По­ ложительную роль играет операция шабровки слитков перед прокаткой, так как для оловянно-фосфористой бронзы раз­ витие трещин в поверхностном слое слитка связано главным образом с ликвационными обогащениями его оловом и закалкой твердого раствора при литье сплава в водоохлаж-

.даемую изложницу.

141

ГЛАВА 4. БЕЗОЛОВЯНИСТЫЕ БРОНЗЫ

В настоящее время в промышленности ши­ роко применяются безоловянистые бронзы, класс компози­ ций, построенных на основе бинарных сплавов меди с алю­ минием, кремнием и другими металлами.

Сплавы меди с алюминием и марганцем (бронзы Бр.АМц9-2)

Система медь—алюминий наиболее подроб­ но изучена Стокдейлем [239]. Он установил на диаграмме состояния положение кривых ликвидуса и солидуса, а так­ же пределы растворимости алюминия в меди при различ­ ных температурах. Микроскопические данные, полученные им о границах существования a-твердого раствора в двой­ ных алюминиевых бронзах, впоследствии подтверждены с помощью рентгеноструктурного анализа [240]. Из приве­ денной в работе [171] диаграммы состояния медь—алюми­ ний следует, что предельная растворимость алюминия в ме­ ди, равная 7,4 вес. % при 1031°, увеличивается с понижени­ ем температуры до 9,8 вес. % при 537° и далее не изменяет­ ся.

В последнее время найдено, что растворимость алюми­ ния в меди при комнатной температуре не превышает 8 вес.% [241]. Это заключение было сделано на основании результатов металлографического и рентгеноструктурного анализов, а также изучения большого числа сплавов, со­ держащих от 0,05 до 11,70 вес. % алюминия, методами мик­ ротвердости и электросопротивления. Сплавы выбирались из а- и а+у-областей так, что они перекрывали границу рас­ творимости алюминия в меди и с большей достоверностью позволяли судить о значении предела насыщения а-фазы вторым компонентом.

143-

Таким образом, все бронзы, содержащие менее 8,0% алюминия, в равновесном состоянии однофазны, и их мик­ роструктура практически не отличается от а-латуней и ме­ ди. При более высокой концентрации алюминия в сплавах появляется новая структурная составляющая — колонии эвтектоида (а+у). Она имеет тонкое строение (рис. 60) и при

Рис. 60. Мимроструктура алюминиевой бронзы с 10,3 вес. % алюминия, ступенчато отожжен­ ной в течение 3 месяцев с 750° (Х340).

малых увеличениях выглядит как одна фаза. Поэтому структура а-алюминиевых бронз, содержащих эвтектоид, имеет большое сходство с двухфазными ct-bß'-латунями.

Раньше считали, что а-алюминиевые бронзы, как и а- латуни, не испытывают никаких превращений в твердом со­ стоянии [167]. Однако многочисленные данные об аномаль­ ном изменении ряда их свойств с температурой заставили признать развитие превращений в твердых медно-алюмини­ евых сплавах. Несколько по-разному трактуется природа этих превращений. Одни исследователи полагают, что в а- фазе возникает дальнее упорядочение на основе стехиомет­ рических составов CU7AI [242, 243] или С113АІ [244], дру­ гие придерживаются мнения об установлении ближнего или несовершенного дальнего порядка [245, 246], не указывая стехиометрических составов, на основе которых протекает

144

этот процесс, или пишут о соединении СизАІ. В одной из по­ следних работ [247] делается вывод о том, что превращение в а-алюминиевых бронзах сводится к образованию внутри неупорядоченного твердого раствора высокодисперсных об­ ластей дальнеупорядоченной фазы. Таким образом, эти дан­ ные, отвергая представление о ближнем порядке, однознач­ но устанавливают развитие дальнего упорядочения.

В практике применяются алюминиевые бронзы, в кото­ рых содержание второго компонента не превышает 10— 11 вес. %. Следовательно, большинство промышленных бронз этого класса является сплавами однофазными.

Из сложных алюминиевых бронз наиболее распростра­ нена алюминиево-марганцевая бронза марки Бр.АМц9-2. Она относится к системе медь — алюминий — марганец, на­ чало изучения которой положили Хайслер [248] и Розенхейн [249]. Эти авторы изучали свойства сплавов, содер­ жащих до 11 вес. % алюминия и 10,0 вес.% марганца, и впервые определили положение поверхности ликвидуса. Позднее Крингс и Остман [250] провели подробное исследо­ вание тройной системы с помощью термического и метал­ лографического анализов. Они вновь построили поверхнос­ ти ликвидуса, которые значительно отличались по темпера­ турам от данных предыдущей работы [249].

В последующие годы были изучены фазовый состав этих сплавов и превращения в твердом состоянии [251— 254]. Наибольший интерес представляют работы В. Д. Тур­ кина [253] и В. Г. Рому [254], построивших изо­ термические и политермические разрезы диаграммы состо­ яния тройной системы. Они исследовали строение и свойст­ ва сплавов методами микроанализа, термографического анализа и микротвердости бронз, закаленных с различных температур. По их данным, при постоянной концентрации марганца, равной 2,5 вес.%, и до 11 вес.% алюминия выше 400° на диаграмме состояния сплавов возникают следую­ щие фазовые области: а, (а+у), (а+ß+y), (a+ß) и ß; охлаж­ дение ниже этой температуры не приводит к изменению фа­ зового состава сплавов.

Специальные исследования по определению типа крис­ таллического строения фаз, входящих в данную систему, и их параметров отсутствуют. Учитывая, что марганец может растворяться в меди и его соединениях с алюминием в зна­ чительных количествах [171], можно дать следующую ха­ рактеристику структурным составляющим сплавов: а-фа- за — твердый раствор на основе медй с кубической гране­ центрированной решеткой, ß-фаза —твердый раствор на основе соединения СизАІ с кубической объемно-центриро­

ванной решеткой с неупорядоченным расположением ато­ мов, у-фаза — твердый раствор на основе соединения CU32AI19 со сложной кубической решеткой.

Сравнение политермических разрезов, приведенных на рисунке 61, показывает значительное расхождение в поло­ жении границ фазовых областей, установленных разными

ßec. 7О

Рис. 61. Политермическне разрезы медного угла диаграммы состояния медь — алюминий — марганец: а — по [253]; б — по [254].

авторами. По данным В. Г. Рому [254], в сплавах, содержа­ щих 2,5 вес.% марганца, область существования а-твердого раствора при 400° и выше ограничивается 8,0 вес.% алюми­ ния, как и в бинарной системе [241]. В то же время, по ре­ зультатам работы [253], растворимость алюминия в а-фазе при 400° составляет 9,4 вес.% и значительно уменьшается с повышением температуры.

Это противоречие В. Г. Рому объясняет разным состо­ янием исследуемых образцов перед закалкой: он отжигал сплавы в интервале 900—400° в течение 104 ч, а В. Д. Тур­ кин — при тех же температурах 48 ч, т. е. в первом случае сплавы были более равновесными. Однако следует отме­ тить, что изотермические разрезы при 400°, построенные Вестом и Томасом [252] для сплавов, содержащих 5,0%

146

марганца и отожженных в течение одного месяца, в рас­ сматриваемой области концентраций алюминия более близ­ ки к самым последним данным [255].

Продолжая исследование тройной системы, Г. О. Аубакиров [255] при термографическом анализе сплавов, содер­ жащих постоянное количество марганца (2 вес.%) и от 7,5 до 10,5 вес.% алюминия, обнаружил тепловые эффекты в

содержащих от 8,0 до 11,0% алюминия и 2,5% марганца, в интервале 400—900° протекает несколько превращений. Ос­ новными из них являются эвтектоидное в интервале темпе­ ратур 757—500° и фазовый переход cc+ß->ß выше 575°. Эти превращения заметно влияют на многие свойства спла­ вов и особенно на механические.

Так же, как и в бинарной алюминиевой бронзе [239], эвтектоидный распад у тройного сплава наблюдается при медленном охлаждении или при изотермических выдерж­ ках. В отличие от простой бронзы распад ß-фазы в сплавах

147

тройной системы протекает в интервале температур. Про­ цессу образования эвтектоида предшествует превращение в трехфазной области a + ß + y, границы которой на диаграм­ ме состояния пока точно не установлены. Отсюда следует, что добавка третьего компонента — марганца — значитель­ но воздействует на фазовые превращения в алюминиевых бронзах.

В работе [256] исследовано влияние концентрации мар­ ганца на кинетику эвтектоидного превращения в сплавах с 11,2 и 11,8% алюминия при изотермической выдержке в свинцовой ванне в интервале 550—490°. Изучение распада проводилось путем измерения количества эвтектоидных ко­ лоний и определения времени выдержки, необходимого для завершения этого процесса при каждой температуре. Было найдено, что у сплавов, содержащих 1,0% марганца при 11,8% алюминия, эвтектоидный распад происходит около 505°, в то время как у образцов с 0,5% марганца — около 520°. Время, необходимое для превращения ß-*-a+y, в пер­ вом случае было в два раза больше, чем во втором, что сви­ детельствует о замедлении его скорости под влиянием мар­ ганца.

Путем калориметрического анализа тройных сплавов, содержащих различное количество алюминия, и с постоян­ ной концентрацией марганца (1%) установлено [257], что эвтектоидный распад происходит при разных температурах

538°, а при увеличении его количества до 2,1% температура превращения снижается до 527°. Таким образом, этими ис­ следованиями показано, что добавки марганца до 2,5 не влияют на характер превращения, но замедляют скорость распада ß-фазы и снижают критическую температуру. В связи с этим марганец относят к ß-стабилизирующим эле­ ментам [259,260].

Скорости охлаждения литых и термически отработан­ ных сплавов в промышленных условиях не обеспечивают установления равновесия, т. е. распад ß-фазы может не про­ изойти даже при температурах ниже эвтектоидного превра­ щения. Исходя из диаграммы метастабильных состояний системы медь — алюминий, предложенной в работе [261], переохлажденная ß-фаза при достижении определенной тем­ пературы, зависящей от состава сплава, претерпевает пре­ вращение в метастабильную ß'- или ßi-фазу. Действительно, позднее [253, 254] при изучении диаграммы состояния трой­ ной системы найдена мартенситная структура у сплавов с

148

малым содержанием марганца после закалки с высоких температур (выше 800°).

Вработе [262] также было установлено, что в сплавах

с11,8% алюминия и 4,0% марганца образуется два типа мартенсита ß' и у'. Мартенсит ß' появляется только в слу­ чае закалки с высоких температур, а при малых скоростях охлаждения возможно получить как ß', так и у'. Авторы полагают, что ß'-мартенсит возникает в ß-фазе, бедной алю­ минием, а у'-мартенсит — в области, богатой им. По анало­ гии с двухфазными сплавами системы медь — алюминий и на основании имеющихся данных по тройной системе сле­ дует полагать, что при комнатной температуре ß-фаза мо­ жет находиться либо в упорядоченном состоянии (ßi), либо

вмартенситном (ß').

В. Н. Гриднев и Г. В. Курдюмов [263] нашли, что мар­ тенситное превращение в медных сплавах обратимо и при достаточно быстром нагреве низкотемпературные модифи­ кации переходят в ß-фазу без распада на эвтектоид. Уста­ новлено, что переход ß'-»-ß происходит при обратном нагре­ ве около 300° путем бездиффузионного механизма, распад ß->ct + y может совершаться только после образования упо­ рядоченной ßi-фазы [264]. Известно также, что ß-фаза склонна к распаду под напряжением даже при низких тем­ пературах.

Высокотемпературное фазовое превращение a + ß->-ß, по данным [253, 254], обнаружено у бронз, содержащих свыше 9,0% алюминия, в интервале 575—900°. Температура этого перехода при постоянном содержании марганца определяет­ ся концентрацией алюминия в сплаве. Так, у сплава с 11,0% алюминия переход a + ß->ß происходит около 700°, а у бронз с 9,0% алюминия — около 900°.

Строение и механические свойства алюминиево-марган­ цевых бронз. Слитки сплавов с 6,4—7,9 вес.% алюминия и 2 вес.% марганца, отлитые в медную водоохлаждаемую из­ ложницу, имеют зону столбчатых кристаллов, довольно четко ограниченную от равноосных. С увеличением концен­ трации алюминия протяженность этой зоны уменьшается, а при содержании его более чем 9,0% она вовсе исчезает. Микроскопическое строение сплава крайне разнообразно как по форме зерен, так и по их величине. Бронзы состоят из а- (светлые участки) и ß (темные участки)-фаз (рис. 63). Количество ß-фазы растет с увеличением концентрации ле­ гирующих компонентов. В сплавах, имеющих до 7,5% алю­ миния, она не обнаруживается, при 7,9% выявляются небольшие, редко расположенные включения ее. В бронзе

149