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

м&ции и длительности отжига температура рекристаллиза­ ции меди снижается в пределах 100—300° [35, 36]. По дан­ ным [35], при степени деформации 41% температура нача­ ла рекристаллизации составляет 190°. У меди, закристалли­ зовавшейся при интенсивном охлаждении (в процессе не­ прерывного литья), образование двойников наблюдается в результате отпуска при 385—450° [34].

Рекристаллизация играет важную роль в формировании структуры и свойств деформированной меди. Показано [34], что у меди, деформированной со степенью 25 и 60%, первые признаки рекристаллизации, обнаруженные рент­ геноструктурным анализом, появляются после отжига при 225°. Температура рекристаллизации обработки после де­ формации на 25% находится в пределах 375—550°; с уве­ личением наклепа до 60 % этот интервал сужается и состав­ ляет 375—450°. Медь, деформированная на малые степени (до 5%), не рекристаллизуется вплоть до 900° [37]. Опыта­ ми установлено, что наклеп, возникающий при докритических деформациях, во время отжига полностью не снима­ ется, вызывая заметное изменение свойств не только у де­ формированного, но и у отожженного металла.

Литье и кристаллизация меди всегда в какой-то степени сопровождаются образованием макро- и микропористости. Поры могут возникать также в процессе деформации и тер­ мической обработки. Пористость в ряде случаев рассматри­ вают как важный фактор, определяющий механические свойства меди. Некоторые исследователи [38—40] склон­ ны считать ее главной причиной разрушения чистой меди при высоких температурах.

При кристаллизации таких сортов меди, как бескисло­ родная и вакуумно-плавленая, появляется относительно небольшое число пор, которые равномерно распределяются по сечению слитка. В процессе длительного вылеживания, а также в результате отжига, особенно при 500°, число пор несколько возрастает, однако плотность меди при этом практически не изменяется. По мнению автора работы [41], причиной образования пор в этом случае является распад твердого раствора водорода в меди с образованием молеку­ лярного водорода.

Свойства меди

Физические свойства технической меди [42]. Ценным свойством чистой меди является низкое элек­ тросопротивление. Согласно работе [43], его среднее-значе­ ние составляет 1,7з-1О-6 ом-см. После часового отжига при

10

700° в вакууме оно уменьшается до 1,67з-10 6 ом-см и на воздухе — до 1,65з-Ю_6 ом-см. По данным измерения элек­ тросопротивления меди вайербарсов непрерывного и гори­ зонтального литья, проволока из бескислородной меди име­ ет более высокие электрические свойства (1,69-ІО-6 ом- -см/мм2) по сравнению с металлом горизонтального литья

(1,7-ІО-6 ом-см/мм2).

Термическая обработка и пластическая деформация су­ щественно изменяют электрические и тепловые свойства ме­ ди. Под влиянием деформации электросопротивление воз­ растает, а при отжиге вначале уменьшается, а затем, выше 500°, увеличивается (рис. 2). При определении электросопро-

Рис. 2. Зависимость электро­ сопротивления меди от темпе­ ратуры отжига.

Температура отжиеа/С

тивления в условиях непрерывного нагрева со скоростью 2,5 град/мин обнаружено изменение температурного коэф­ фициента при 100, 450 и 700°, намного превышающее воз­ можную ошибку эксперимента. Найденные отклонения кри­ вой от прямолинейной зависимости связываются с измене­ нием состояния проб при указанных температурах [43].

При исследовании теплового расширения меди, дефор­ мированной с разной степенью наклепа после закалки, вы­ являются эффекты при 250—300 и 550°, свидетельствующие об изменении коэффициента теплового расширения при этих температурах. Эксперименты с использованием дилато­ метра специальной конструкции показали, что у меди обна­ руживаются аномалии теплового расширения при 200, 350, 500 и 800° [44]. Следует заметить, что при этих же темпе­ ратурах наблюдается скачкообразное изменение удельной теплоемкости [45] (хотя автор и усредняет ее значения).

Пластичность меди при комнатных температурах имеет относительно высокое значение, сужение образцов составля­ ет 0,7—0,8. Однако начиная с 200—300° оно резко снижает­ ся, до минимума при 400—500°, а затем снова возрастает. Образование температурной зоны хрупкости у меди неодно­ кратно отмечалось исследователями и явилось в дальнейшем предметом специального изучения. Определяя сужение и

11

удлинение образцов из электролитической меди, Бенгоу [46] нашел зону хрупкости с минимальным значением по­ казателей вблизи 400°. Увеличение пластичности при более высоких температурах сопровождалось перегибом на кри­ вой прочности, который Хадсон [47] объяснял протекани­ ем рекристаллизации.

Хрупкое состояние меди в широком интервале темпера­ тур наблюдал Ганзер [48], по данным которого уменьшение относительного сужения образцов начиналось с 200° и ми­ нимальные значения пластичности отмечались при 400— 500°. Таким образом, в интервале температур 200—500^ значения показателей уменьшились более чем в два раза. При дальнейшем нагреве (700—750°) они увеличивались до исходной величины (рис. 3, а).

Изучая пластичность меди при высоких температурах, А. В. Бобылев и А. И. Чипиженко [49] приводят данные,, полученные ранее Зибе, Штрибеком, Лорингом и др. Почти все они обнаружили ярко выраженный провал пластичности с минимальным значением относительного сужения вбли­ зи 500° (рис. 3, б). Однако степень развития этого эффекта в

Штрибеку [51], зона хрупкости распространяется вплоть до 700°. В противоположность этим результатам Крупковский [52] и Хантингтон [53] считают, что медь является очень пластичной вплоть до 800° и только выше этой температуры она становится хрупкой. Лоринг, Даль и др. [54] вообще не обнаружили провала пластичности при деформации меди.

Почти монотонное изменение деформируемости меди с температурой было выявлено при статическом и динамиче­ ском растяжении отожженного металла марки Ml [55].

12

При этом отмечено лишь небольшое снижение относитель­ ного сужения при 400°.

В работе [49] найдено, что провал пластичности с ми­ нимумом при 500° возникает при относительно малых ско­ ростях деформации (до 20 мм/мин). Особенно резко и в наиболее широком интервале температур хрупкость прояв­ ляется при растяжении образцов со скоростью 1 мм/мин. Увеличение последней до 300 ммімин дает результаты, близкие к данным экспериментов С. И. Губкина и др. [55].

Показано [49], что в зоне хрупкости (500—700°) относи­ тельное сужение с увеличением скорости растяжения воз­ растает только вначале, а затем не изменяется. Аналогич­ ная картина наблюдалась при изгибе образцов: если они изгибались медленно, то оказывались хрупкими, а при бы­ стром изгибе были пластичными. При растяжении образ­ цов в восстановительной атмосфере авторы не обнаружили зоны хрупкости и на этом основании пришли к выводу, что температурная хрупкость не свойственна чистой меди. Она возникает, по их мнению, лишь в присутствии примесей в связи с изменением их растворимости с температурой, а также вследствие неполной рекристаллизации при дефор­ мации и влиянии окружающей среды. Действие окружаю­ щей среды сводится к окислению границ зерен, вызываю­ щему понижение их пластичности. Однако, согласно данным этих же авторов [56], время выдержки образцов перед рас­ тяжением при высоких температурах, а следовательно, про­ должительность воздействия воздушной атмосферы не ока­ зывают влияния на пластичность меди.

Анализируя результаты работ [49, 55, 56], Е. М. Савиц­ кий [10] приходит к заключению, что механические свой­ ства чистой меди изменяются с температурой монотонно. Аномалии, наблюдаемые при 500°, вызваны протеканием рекристаллизации или воздействием примесей, в частности кислорода, у недостаточно раскисленного металла. Возник­ новение зоны хрупкости и развитие ее при уменьшении скорости деформации, найденное А. В. Бобылевым и А. И. Чипиженко, он объясняет окислением границ зерен на воз­ духе. При растяжении проволочных образцов в вакууме им не обнаружено снижения пластичности вплоть до 500°, однако в интервале 500—600° относительное сужение и удлинение уменьшились примерно на 10%.

Образование зоны хрупкости при деформации меди мар­ ки Ml было описано С. К. Максимовым [57], который изу­ чал влияние длительного нагружения на пластичность и показал, что понижение удлинения образцов начинается с 250°. При 200° разрушение происходит по телу зерна, а уже

13

при 350° излом становится хрупким и развивается по гра­ ницам кристаллов. По данным работы [58], пластичность меди понижается при температуре около 200° (сужение и удлинение) и 600° (удлинение).

Зависимость пластичности меди от количества примесей и температуры исследовал Смительс [59]. Он определял удлинение образцов, вырезанных из горячекатаных листов толщиной 14,3 мм, при скорости растяжения 6,35 ммімин в интервале от 20 до 500°. При комнатной температуре все

0,38% мышьяка и 0,05% кисло­ рода); 4—раскисленная мышья­ ковистая (99,95% с 0,40% мышьяка и 0,06% фосфора).

сорта меди имели практически одинаковую пластичность. С повышением температуры влияние примесей становилось более заметным и достигало максимального значения при 500° (рис. 4). Наиболее высокая деформируемость обнару­ живалась у безмышьяковистой раскисленной меди (чисто­ той 99,92%), содержащей 0,05% фосфора. Удлинение образ­ цов из этого металла при нагреве от 200 до 500° понижа-

'лось на 16,6%. Самую низкую пластичность в области тем­ ператур 400—500° имела рафинированная электролитиче­ ская медь (при чистоте 99,9 и 99,51%). Увеличение количе­ ства примесей в указанных пределах не изменило заметно деформируемость при 20°. Однако понижение последней с температурой в этом случае было наиболее значительным. Опыты Смительса показывают, что кислород и мышьяк способствуют снижению пластичности меди при 400—500°. Уменьшение количества этих примесей ослабляет развитие зоны хрупкости, однако не устраняет ее полностью.

Ряд авторов [60—63] связывают образование провалов пластичности у меди с присутствием водорода, о механиз­ ме действия которого существуют разные представления. По наиболее распространенной гипотезе хрупкость объясняется протеканием распада пересыщенного твердого раствора во­ дорода в меди начиная с 200°. При высоких температурах степень пересыщения, а следовательно, и интенсивность рас­ пада уменьшаются и пластичность возрастает.

14

Содержание кислорода и водорода в меди связано меж­ ду собой гиперболической зависимостью [62], поэтому о концентрации последнего судят, изучая медь с разным ко­ личеством кислорода. Опыты [60] по изучению меди раз­ ных сортов показали, что способ ее получения, от которого зависит содержание кислорода (водорода), оказывает ре­ шающее влияние на пластичность при повышенных и высо­ ких температурах. Бескислородной меди (с высоким содер­ жанием водорода) свойственно наиболее значительное по­ нижение показателей при 400—700° (рис. 5, кривая 2). Ва­ куумная медь менее пластична при низких температурах, зона хрупкости в этом случае менее развита и смещена к более низким температурам (200—400°).

Рис. 5. Пластичность меди [60] : 1—вакуумная; 2—бескислород­ ная; 3 — с 0,05% кислорода; 4 — ,с 0,12% кислорода.

В области до 300° при увеличении количества кислоро­ да отмечается понижение пластичности, однако с темпера­ турой относительное сужение образцов возрастает (рис. 5, кривые 3 и 4). В меди с большой концентрацией кислорода, т. е. содержащей мало водорода, зона хрупкости не обна­ руживается (рис. 5, кривая 4). Таким образом, увеличение содержания водорода в меди приводит к образованию про­ вала пластичности. По мнению Д. Г. Бутомо [60], разруше­ ние металла происходит вследствие образования неплотно­ стей по границам зерен, возникающих при выделении водо­ рода из пересыщенного твердого раствора. С этих позиций объясняется и повышение пластичности со скоростью рас­ тяжения : распад не завершается за время деформации и его действие не проявляется.

Специальными опытами [64] установлено, что образова­ ние зоны хрупкости у медных сплавов не связано с «пор­ чей» границ зерен во время растяжения образцов. Исследо­ вания очень чистых сортов меди, в том числе вакуумно­ плавленой,. методом электронно-лучевой плавки показали,

15

что и самая чистая медь, прошедшая деформацию и отжиг, обнаруживает понижение пластичности вблизи 500° [65].

Всвязи с этими данными высказывается предположение

отом, что тепловая хрупкость присуща самой меди и вызы­ вается особого рода превращениями в очень чистом метал­ ле [4]. В работе [40] хрупкость связывается с образовани­ ем вторичной пористости при межзеренных перемещениях.

Рис. 6. Пластичность литой бескислородной меди непрерывного литья производства Балхашского завода ОЦМ.

Таким образом, среди исследователей нет единого мнения о природе температурной хрупкости меди.

Значительные трудности, возникающие при обработке этого металла, особенно при изготовлении тонких сортов проката и волочения, заставили снова обратиться к решению данной проблемы. В цикле работ по широкому изучению свойств меди в зависимости от состояния и различных фак­ торов обработки [34, 37, 66] исследовалась медь различных сортов, в том числе бескислородная — производства Бал­ хашского завода,— полученная путем вакуумной плавки на заводе «Красный Выборжец», и обычная — поставки Пышминского медьзавода.

Зона хрупкости была обнаружена у меди всех сортов не­ зависимо от способа ее получения. При деформировании литых образцов, как правило, наблюдается большой раз­ брос данных (рис. 6) в связи с разной пластичностью образ­ цов, характеризующих свойства отдельных зерен крулнокристаллитной меди. В этом случае как будто трудно вьт-

16

явить определенную закономерность изменения деформи­ руемости с температурой. Однако, анализируя и эти дан­ ные, можно заметить, что понижение пластичности начина­ ется с 200—300°, а провал имеет несколько минимумов.

Таким образом, зона хрупкости у меди представляет со­ бой суперпозицию нескольких провалов пластичности и, следовательно, ее развитие определяется не одним процес­ сом, а рядом превращений, которые протекают в разных температурных интервалах. Особенно четко это явление обнаруживается при деформировании меди с большими ско­ ростями, когда разброс показателей значительно уменьша­ ется.

Логарисрн скорости растяжения

Рис. 7. Влияние скорости растяжения на пластичность меди при температурах, °С: 1 — 20; 2 — 300; 3— 400; 4— 500; •

5 — 600 ; 6 — 700 [67].

В исследованиях [67] был применен больший диапазон скоростей растяжения, чем в опытах А. В. Бобылева и А. И. Чипиженко [56], который позволил проявиться более слож­ ной и интересной зависимости пластичности меди от скоро­ сти деформации.. Оказалось, что при низких температурах (до 200—250°) темп растяжения не играет большой роли в изменении пластичности (рис. 7, кривая 1). Начиная с 300° этот фактор оказывает решающее влияние на дефор­ мируемость меди. Выявлены три области температур, в ко­ торых пластичность изменяется по-разному. При 300 и 700° сужение образцов непрерывно и достаточно резко воз­

2-182

растает с увеличением скорости. В зоне провала (400—■ 600°) пластичность изменяется по кривой с максимумом, т. е. существует оптимальная скорость, при которой металл является наиболее пластичным.

Рис. 8. Пластичность литой (о) и деформированной (6) меди [54]: 1 — бескислородная, высокопроводящая; 2—раскис­ ленная фосфором, высокопроводящая ; 3 — рафинирован­ ная электролитическая.

Увеличение скорости растяжения уменьшает развитие провалов пластичности у меди, хотя и не приводит к их полному устранению. Очевидно, для каждого состояния образцов можно подобрать такую скорость деформации, при которой зона хрупкости исчезнет. Однако при изменении ус­ ловий деформирования, состава или состояния образца, определяющих возможность протекания превращений при определенных температурах и их кинетику, зона хрупко­ сти образуется снова.

18

Эксперименты и практика обработки меди показывают, что ее деформируемость в значительной степени зависит от состояния. О влиянии этого фактора на пластичность меди писали авторы работы [54]. Они исследовали литые и де­ формированные образцы бескислородной и раскисленной фосфором меди, а также рафинированной электролитиче­ ской. В литом состоянии наиболее высокая пластичность обнаруживается у меди, раскисленной фосфором. В этом случае не наблюдается обычной хрупкости, небольшое по­ нижение относительного сужения происходит вблизи тем­ ператур 150 и 300° и более значительное — при 650° (рис. 8,а, кривая 2). При деформации металла двух других сор­

200—600° (рис. 8,а, кривая 1).

Деформация меди перед растяжением резко изменяет характер температурной зависимости пластичности. Медь, которая в литом состоянии проявляет максимальное сниже­ ние относительного сужения при средних температурах, пос­ ле деформации становится наиболее пластичной (чр=0,9— 1,0), сужение образцов с температурой изменяется моно­ тонно (рис. 8,6, кривая 1). У меди других сортов провалы пластичности наблюдаются при 400° (рис. 8,6, кривая 2, 3). Однако и в этом случае деформация приводит к резкому увеличению пластичности, сокращению зоны хрупкости и смещению ее от 600 до 400°. Особенно значительно пла­ стичность электролитической меди увеличивается в обла­ сти 500—700°. Воздействие предварительной деформации настолько велико, что в ряде случаев медь переходит в сверхпластичное состояние, когда удлинение образцов до­ стигает 140 и 150% [68, 69].

Прочность меди, по данным работы [60], составляет 20—22 кгімм2. Бескислородная медь производства Балхаш­ ского завода имеет более низкий предел прочности: у образ­ цов, вырезанных из разных зон вайербарса, при комнатной температуре он колеблется от 12 до 16 кгімм2. При добав­ лении 0,0035% кислорода прочность возрастает до 20— 22 кгімм2. Под влиянием температуры прочность меди сни­ жается и при 900° составляет около 0,5 кгімм2. Однако в определенных интервалах, обычно при 100, 250, 450, она увеличивается на 0,5—2 кгімм2 (рис. 9). При переходе от одной зоны слитка к другой эти аномалии изменяются по величине эффектов и температурам.

В результате горячей прокатки предел прочности меди возрастает. В этом случае также наблюдается отклонение

19'