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

мости в интервале 800—900°. При термографических иссле­ дованиях были выявлены два тепловых эффекта: вблизи 384 и 590°. Первый — экзотермический — связывается со старением, в результате которого выделяются частицы сое-

случае снижение пластичности при температурах 350—450

и 650—750°.

Поздними исследованиями [303] установлено, что по­ нижение пластичности и повышение прочности бронзы Бр.КМцЗ-1 при 200—500°, действительно, связаны с процес­ сом старения. В указанной температурной области микро­ твердость повышается при отпуске закаленных сплавов, од­ нако изменение свойств сопровождается выделением дис­ персного соединения MnsSiß, а не МпгБі, как утверждали ав­ торы работы [302]. При нагреве выше 500° частицы второй фазы растворяются, и сплав в области 650—850° переходит

всостояние однородного твердого раствора. Однако при 650

и700° микротвердость вновь увеличивается, что связано, по данным [303], с выделением нестабильной фазы.

Характер температурной зависимости свойств кремне­

марганцевых бронз зависит от их состояния. Максимальное приближение горячекатаных заготовок к равновесию путем длительного ступенчатого отжига (более 90 ч) уменьшает развитие аномалий с температурой: в интервале от 20 до 800° не обнаруживается заметного понижения пластично-

180

сти. Сужение образцов начиная с 400° непрерывно увели­ чивается, и при 600—900° сплавы всех составов имеют вы­ сокие пластические свойства. Литые же сплавы характери­ зуются аномальным снижением пластичности в интервалах

200—500 и 600—700°.

чем под действием кремния (рис. 81).

Влияние скорости кристаллизации на свойства кремне­ марганцевых бронз. Отливка бронзы Бр.КМцЗ-1 произво­ дится методом наполнительного литья в вертикальную во­ доохлаждаемую изложницу. Опыт заводов показывает, что такая технология литья не обеспечивает получения плотных слитков. В значительной части их наблюдаются внутрен­ ние дефекты в виде усадочной рыхлоты и трещин. Очевид­ но, с этим связано большое количество брака по пузырям и расслою на полосах и лентах этого сплава. Для получения плотных бездефектных отливок несомненное преимущество имеют методы полунепрерывного и непрерывного литья. В частности, для отливки кремне-марганцевой бронзы в ряде случаев используют полунепрерывное литье.

Переход к полунепрерывному литью связан с резким увеличением скорости кристаллизации. Изменение послед­ ней заметно меняет положение границы однофазной облас­ ти [298]. Наблюдаемые в этом случае отклонения в строе­

181

нии сплавов от равновесного состояния, сопровождаются су­ щественным изменением механических свойств. Присадка третьего компонента усложняет эту зависимость.

В экспериментах [299], проводимых на Балхашском за­ воде, удалось количественно оценить скорость охлаждения разных зон слитка при различных видах литья, применяе­ мых при производстве кремне-марганцевой бронзы. Сплавы разного состава отливали обычным способом в водоохлаж­ даемую медную изложницу и методом полунепрерывного литья. Слитки, полученные по второму варианту, охлажда­ ли двумя способами: одни из них по выходе из кристалли­ затора охлаждали водой, а другие остывали на воздухе. Кроме этого, для достижения высокой скорости кристалли­ зации специально отливали тонкие образцы в массивную медную изложницу.

Часть сплавов готовили в промышленных условиях, ис­ пользуя низкочастотную индукционную печь типа «Аякс». В качестве шихтовых материалов применяли электролит­ ную медь марки МО, кремний марки Кр-1 и электролитный марганец Мр-1. Полунепрерывное литье слитков производи­ лось при температуре 1190—1200° со скоростью 5 м/час. Тонкие образцы 10X50 мм отливали при 1160° из сплава, приготовленного в лабораторной высокочастотной печи.

Опытные сплавы содержали от 2,5 до 3,5% кремния, 0,85—1,35% марганца и 0,05% железа. Бронза, отлитая в лабораторных условиях, имела средний состав: 3,06% кремния и 1,24% марганца. Для получения данных о влия­ нии исходного состояния на изменение свойств при даль­ нейшей термической и деформационной обработке сплавы, отлитые разным способом, исследовались не только в ли­ том состоянии, но и после деформации и отжига. Для этого часть горячекатаных образцов отжигалась 90 ч при ступен­ чато понижающихся температурах в интервале 800—100°.

Количественная оценка интенсивности охлаждения от­ дельных зон слитка при кристаллизации производилась путем специальной установки термопар, соединенных с ос­ циллографом МПО-2, и расчета полученных данных по изве­ стным формулам [304]. Как и следовало ожидать, наиболь­ шая скорость охлаждения была найдена для наружного слоя отливки (рис. 82, кривая 1). Уже через минуту после заполне­ ния формы металлом ее температура снизилась с ИЗО до 950°, промежуточный слой за это время охладился до 1070°, и только температура центральной зоны осталась без изме­ нения. Еще более резкий перепад скорости охлаждения по сечению слитка устанавливается через 2 мин. Криеталлизазация сплава в промежуточной зоне начинается через 4

182

мин, полностью слиток затвердевает через 5 мин. Итак, при наполнительном литье средняя скорость охлаждения в ин­ тервале ИЗО—750° составила для поверхностей зоны слит­ ка 3—4 град/сек и для его центра — 1 град/сек.

tic

Рис. 82. Интенсивность охлаждения разных зон слитка при литье в медную водоохлаждаемую изложницу: 1—поверх­ ностная, 2 — промежуточная, 3 — центральная.

Согласно расчетам, при полунепрерывном литье расплав от 1190—1200° до солидуса (950°) охлаждается за 50 сек. Таким образом, средняя скорость охлаждения жидкого ме­ талла у стенок кристаллизатора составляет 4,6 градісек. При стабильном процессе литья температура поверхности слитка по выходе из кристаллизатора.равна 870-—880°, а на расстоянии 500 мм от него — 730—740°. Температура поверхности слоев отливки снижается с 950 до 870° за 180 сек, и, следовательно, средняя скорость охлаждения в преде­ лах кристаллизатора составляет 0,45 градісек. Аналогич­ ный расчет показывает, что средняя скорость охлаждения слитка вне кристаллизатора не превышает 0,4 градісек. Средняя скорость охлаждения тонких слитков, заливаемых в массивную медную изложницу, в интервале 1100—650°

равно 225 градісек.

Микроструктура бронзы Бр.КМцЗ-1, взятой из разных зон слитка, отлитого в водоохлаждаемую медную изложни­ цу, неодинакова: в поверхностной и промежуточной зонах она соответствует твердому раствору, центральные участки имеют двухфазное строение. Таким образом, в централь­ ных слоях слитка наблюдается неравновесная фаза. С уве­ личением содержания кремния и марганца ее количество возрастает и выделения укрупняются. Микроструктура сплавов, отлитых полунепрерывным методом, в значитель-

183

нои мере зависит от условии охлаждения вне кристаллиза­ тора. Если полунепрерывное литье завершается резким ох­ лаждением слитка, то во всех зонах наряду с твердым раствором находятся включения неравновесной фазы, коли­ чество которой увеличивается при переходе от периферии

Рис. 83. Микроструктура бронзы Бр.КМцЗ-1, отлитой полунепре­ рывным методом с охлаждением слитков на водухе: а, б—поверх­ ностная и центральная зоны; в — поверхностная зона слитка,

охлажденного водой (Х340).

слитка к его центру. Если же вторичное охлаждение водой не применяется , то кристаллы второй фазы появляются лишь в центральной зоне. В поверхностных и промежуточ­ ных слоях они не обнаруживаются. Следует отметить, что твердый раствор в поверхностной зоне отливки характери­ зуется высокой концентрацией линий скольжения, что го­ ворит о высокой степени фазового наклепа в областях слит­ ка, где сплав практически закален из жидкого состояния

(рис. 83).

Микроструктура бронзы, отлитой с высокой скоростью охлаждения (225 град/сек), состоит из кристаллов твердого раствора и неравновесной фазы, причем размеры зерен по­ следней меньше и распределены они более равномерно, чем в слитках наполнительного и полунепрерывного литья (рис. 84). Матрица сплава в этом случае имеет неоднородное

184

строение : наряду с участками твердого раствора между ни­ ми послойно прослеживаются зоны со слабо травимой зер­ нистой структурой без явно выраженных границ. Такое строение сплава свидетельствует о сильно выраженной хи­ мической микронеоднородности, обусловленной неравно­ весной кристаллизацией.

Структура бронзы по­

разцов, а также сплавов, отлитых в медную водоохлаждае­ мую изложницу в производственных условиях и в лабора­ тории. Известно, что в последнем случае скорость охлажде­ ния была особенно высокой и составляла 225 градімин. В интервале от комнатной температуры до 350° и выше 800° равновесный и литой в водоохлаждаемую изложницу спла­ вы имеют близкую относительно высокую деформируемость с той лишь разницей, что сужение равновесных образцов в этой области почти не меняется (если пренебречь небольшим снижением его вблизи 100—200°), а пластичность литого сплава описывается осциллирующей кривой с максимума­ ми при 100 и 300°. В области 400—700° изменение состоя­ ния образцов сильно влияет на относительное сужение. У равновесного сплава оно постепенно увеличивается с тем­ пературой до 1,0 при 700° и не меняется при дальнейшем нагреве, у литых образцов переход к высокой пластичности сопровождается образованием зоны хрупкости с максималь­ ным уменьшением сужения вблизи 450°.

Сплав, полученный при кристаллизации с высокой ско­ ростью охлаждения, отличается малой пластичностью при всех температурах, в интервале от 20 до 600° относительное

185

сужение образцов не превышает 0,35. Особенно низкую пластичность (ір = 0,2) они имеют вблизи 300°. В области 600—800° пластичность возрастает и наблюдается ее всплеск с двумя пиками при 650 и 750°, вслед за которы-

Рис. 85. Пластичность сплавов бронзы Бр.КМцЗ-1 в разных сос­ тояниях: 1 — равновесный; 2 — литой в охлаждаемую изложни­ цу; 3 — литой с резким охлаж­ дением при кристаллизации

(225 град/мин).

ми оонаруживается узкий провал с минимальным сужени­ ем (0,4) около 800°. При дальнейшем нагреве пластичность увеличивается, однако продолжает оставаться значительно ниже, чем у равновесного сплава и литого, но менее резко охлажденного.

Рис. 86. Прочность сплавов брон­ зы Бр.КУІцЗ-1: 1 — равновес­ ный; 2 — литой в медную водо­ охлаждаемую изложницу.

Этими же опытами было установлено, что прочность брон­ зы одинакового состава, отлитой с разной скоростью охлаж­ дения, по-разному изменяется с температурой (рис. 86). Кремне-марганцевые бронзы при нагреве в любом случае разупрочняются неравномерно, однако в зависимости от со­ стояния в определенных температурных интервалах интен-

186

сивность этого процесса меняется, и снижение прочности сопровождается аномальными эффектами. Так, у литых сплавов, кристаллизовавшихся в медных водоохлаждаемых изложницах, выявляется заметное упрочнение вблизи 350°,

Рис. 87. Пластичность об­ разцов бронзы Бр.КМцЗ-1 из разных сечений слитка, отлитого полунепрерывным способом и охлаждаемого водой вне кристаллизато­ ра: 1, 2, 3 — поверхност­ ная, промежуточная и

центральная зоны.

именно в той области, где развивается и провал пластично­ сти. При более высоких температурах прочность с темпера­ турой понижается монотонно.

Между тем равновесные сплавы около 400° не упрочня­ ются, хотя температурный коэффициент разупрочнения и в этом случае неоднократно меняется при 100, 300, 500 и 700°. Следовательно, аномальное изменение пластичности и прочности литых сплавов связано прежде всего с неравновесностью, полученной при кристаллизации, с процессом

Рис. 88. Пластичность брон­ зы Бр.КМцЗ-1, отлитой полунепрерывным методом без вторичного охлажде­ ния: 1, 2, 3 — поверхност­ ная, промежуточная и

центральная зоны.

распада пересыщенного твердого раствора, зафиксирован­ ного закалкой при литье с высокими скоростями охлажде­ ния. Проведение предварительной деформации и отжига способствует более или менее полному завершению стаби­ лизации сплава до деформации и устраняет эффект упроч­ нения, связанный со старением в момент растяжения.

Как следует из экспериментов [305], свойства бронз, от­ ливаемых полунепрерывным методом, в значительной сте­ пени зависят от охлаждения слитка вне кристаллизатора. На рисунке 87 показано изменение пластичности сплава,

187

содержащего 3,1% кремния и 1,2% марганца, в интервале температур 650—900° для различных зон слитка, охлаж­ даемого водой по выходе его из кристаллизатора. Как вид­ но, у металла, взятого из поверхностной зоны, пластичность резко падает вблизи 750°; у образцов из центральной зоны относительное сужение также уменьшается, однако не столь значительно, как в поверхностном слое; для спла­ ва из промежуточной зоны характерно смещение этого эффекта в сторону более высоких температур и пониженная пластичность в области 650—-600°. Выше 775° сплав по всему сечению слитка обладает высокой деформируе­ мостью.

Сравнение рисунков 87, 88 показывает, что в бронзах, отлитых без вторичного охлаждения, разница в свойствах образцов, взятых из разных зон слитка, выражена более яр­ ко. Она проявляется в разной степени развития провалов пластичности, которые в данном случае занимают более широкие температурные области.

Результаты, полученные при изучении деформируемо­ сти бронзы Бр.КМцЗ-1, отлитой непрерывным способом, показывают, что пластичность сплава по сечению слитка различна. В наибольшей зависимости от скорости охлажде­ ния находятся поверхностные слои отливок. В связи в этим представляются интересными данные и о других свой­ ствах поверхностного слоя, в частности о микротвердости. Из работы [305] следует, что поверхностные слои слитка, отлитого полунепрерывным методом, отличаются более вы­ сокой микротвердостью по сравнению со средними слоями.

Необходимо заметить, что эта разница сильно зависит от концентрации легирующих элементов. Так, в сплавах, содержащих 3,05% кремния и 1,2% марганца, разница H,;í составляет 5,6 kz¡mmz, а с повышением концентрации крем­ ния до 3,5% она возрастает в 10 раз. Марганец не вызыва­ ет такого резкого эффекта. При изменении его содержания в пределах 1,2—1,5% наблюдается относительно равномер­ ное упрочнение по всему сечению слитка.

Определение изменения микротвердости по сечению отливки для сплава одного состава показывает, что высо­ кое упрочнение отмечается лишь в самых поверхностных слоях слитка. При удалении от поверхности даже на доли миллиметра твердость резко снижается, стабилизируясь на глубине 2 мм. Послойным химическим анализом сплава по сечению слитка установлено, что поверхностный слой обо­ гащен кремнием и марганцем по сравнению со средним со­

188

ставом (рис. 89). Наибольшее отклонение количества крем­ ния от средней концентрации составляет в наружном слое 0,7% и марганца — 0,3%. Содержание меди, наоборот, у по­ верхности меньше нормы, а при переходе к внутренним сло­ ям увеличивается. В более удаленных от центра участках слитка концентрация компонентов сплава стабилизируется. Таким образом, высокая микротвердость сплава в поверх­ ностном слое слитка обусловлена ликвацией легирующих элементов.

Неравномерность состава проявляется в неоднородности строения сплава по сечению отливки. На глубине 3—4 мм от поверхности наблюдается твердый раствор. Наружные зоны двухфазны : кроме твердого раствора они содержат не­ равновесную фазу, располагающуюся в виде прожилок дли­ ною 2—3 мм по границам зерна. После нагрева образца до температуры горячей прокатки (850°) и закалки структура поверхностного слоя резко отличается от других областей слитка: внутри кристаллов и по их границам отчетливо от­ мечаются оплавленные участки. Эти данные являются до­ полнительным указанием на особое состояние поверхност­ ной зоны слитка, полученное в результате кристаллизации с высокой скоростью охлаждения.

То же самое наблюдается и для сплава, отлитого в мед­ ную водоохлаждаемую изложницу. В данном случае, как и для отливок непрерывного литья, также имеет место до­ вольно резкое повышение концентрации кремния в поверх­ ностном слое толщиной около 1 мм. Наибольшее превыше­ ние содержания кремния над средним составом достигает 0,7—0,8%. Поверхностные слои отливки обогащаются так­ же и марганцем, но этот эффект выражен не так ярко, как для кремния. Следует отметить, что на расстоянии 3,2— 4,8 мм от поверхности наблюдается неожиданное повторное относительно небольшое увеличение концентрации марган­ ца. Что же касается меди, то самые поверхностные слои попрежнему обеднены ею.

До сих пор мы рассматривали состояние сплава в по­ верхностном слое слитка непосредственно после литья при комнатной температуре. После нагрева в интервале темпе­ ратур горячей прокатки — 800—850° — структура и свой­ ства бронзы в этом слое изменяются. Эксперименты показы­ вают, что проведение часового отжига при указанных тем­ пературах заметно понижает абсолютное значение микротвердости и увеличивает толщину слоя, в котором содержится повышенное количество кремния и марганца, причем максимальная концентрация этих элементов в по-

189