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

более стабильных механических свойств тонкого проката, что имеет очень важное значение для качества изделий из этого вида продукции.

Нужно сказать, что при производстве тонкого проката из бронзы Бр.КМцЗ-1 очень часто возникает брак по меха­ ническим свойствам, казалось бы, при полном соблюдении технологических инструкций по обработке этого сплава.

Как показали исследования [299], механические свойст­ ва тонких лент существенно зависят от температуры отжига подката. В области 400—-550° происходит их упрочнение, и свойства в зависимости от времени изменяются вследствие старения в несколько стадий. На основании заводского опыта и лабораторных исследований свойств, режимов литья и обработки кремне-марганцевой бронзы Бр.КМцЗ-1 [299, 305] предлагается строить технологическую схему произ­ водства тонкого проката из этого сплава, используя следую­ щие основные рекомендации:

1. Отливку сплава вести методом полунепрерывного ли­ тья, обеспечивающим получение плотных, бездефектных слитков. Учитывая, что степень газонасыщения расплава при 1200° ниже, чем при 1150—1170° (см. рис. 91), темпе­ ратуру литья поддерживать в пределах 1190—1200° при разливке металла в кристаллизатор закрытой струей.

2.Поскольку повышенное содержание кремния и мар­ ганца вызывает снижение технологических свойств при го­ рячей прокатке, концентрацию этих элементов при приго­ товлении сплава следует выдержать на нижнем пределе, установленном ГОСТом 1875-72, и не превышать 3,2 и 1,3% соответственно. В состав сплава рекомендуется вво­ дить комплексную добавку титана (0,05%) и ферроцерия

(0,025%).

3.Для удаления поверхностного слоя производить шаброЕку слитков со стороны широких граней на глубину не менее 2 мм.

4.Горячую прокатку отливок вести при 700—860°, горя­ чекатаные полосы фрезеровать.

5.При производстве тонких лент температуру отжига выдерживать в пределах 450—500°, а последующую дефор­ мацию производить со степенью 25%.

6.В работе [299] показано, что при проведении химиче­ ского анализа бронзы Бр.КМцЗ-1 довольно часто образу­ ется некоторое количество нерастворимого осадка (МщЭіз), вследствие чего точность определения кремния и марганца существенно снижается. Чтобы уменьшить количество осад­ ка до минимума, пробы перед отбором стружки необходимо отжигать при 700—800° в течение 1 ч.

200

Серебряные бронзы

Диаграмма состояния системы медь — серебро, относя­ щаяся к простому типу диаграмм с эвтектикой и ограничен­ ной растворимостью компонентов в твердом состоянии [171], была построена в 30-х гг. по данным микроскопиче­ ского метода [307, 308], рентгеноструктурного анализа

Рис. 93. Изотермы пластичности (а) и прочности (б) сплавов медь — серебро [314] : 1 — 20; 2 — 150; 3 — 250; 4 — 350; 5— 400; 6 — 450; 7 — 650; 8— 700;

9 — 750°.

201

[307, 309, 310] и измерения электропроводности сплавов

[311].Все результаты показали, что растворимость серебра

вмеди с понижением температуры уменьшается, однако предельные значения концентрации, найденные разными авторами, в ряде случаев не совпадают (табл. 9).

ленного применения, их использовали в основном для изго­ товления коммутаторных клемм, обмоток роторов в элект­ ромоторах и др. [313]. В настоящее время из них как из ма­ териала, в котором удачно сочетается хорошая теплопроводность с относительно высокой прочностью и стабильностью свойств в области повышенных температур, изготовляют моноблочные кристаллизаторы при непрерыв­ ной отливке бескислородной меди.

Механические свойства медно-серебряных сплавов. Для разработки технологии изготовления кристаллизаторов по­ требовалось систематическое изучение механических свойств серебряных бронз разного состава. В работе [314] были ис­ следованы сплавы в интервале концентраций серебра от 1

7,2 вес. % серебра. Для получения равновесных сплавов часть слитков прокатывали вхолодную со степенью наклепа около 50 % ! образцы, приготовленные из деформированных заго­ товок, ступенчато отжигали в течение 227 ч. В некоторых случаях применяли дополнительный отжиг при 100° в тече­ ние двух месяцев.

Пластичность медно-серебряных сплавов (рис. 93, а) ме­ няется сложно с составом и температурой. Она имеет кон­ центрационный провал с минимумом вблизи 4,0% серебра, который с повышением температуры смещается к более ле­ гированным сплавам. Около 450° провал «размывается», а затем и вовсе исчезает, возникая снова начиная с 600°. Из

202

этих данных примечательными являются два факта: выде­ ление зоны температур вблизи 500°, когда исчезает провал пластичности, и особенность интервала концентраций 4— 5% серебра, заключающаяся в минимальной деформиру­ емости этих сплавов в литом состоянии при всех темпера­ турах.

<=>в , «г/мм£

Ô

3

/О

О/00 200 300 400 ООО 000 700 ¿°¿>

Рис. 94. Пластичность (а) и прочность (б) литых медно-сереб­ ряных сплавов с содержанием серебра, °/о : 1 — 1 ; 2 — 2 ; 3-3; 4 — 4; 5-5; 6-6 [314].

Изотермы прочности (рис. 93, б) показывают, что с уве­ личением концентрации серебра до 3% она возрастает при всех температурах, кроме 450° и комнатной, при которых

203

упрочнение сплавов наблюдается до 2,0 и 1 % серебра соот­ ветственно. Максимальная прочность бронз обнаруживается вблизи 150°. Характерно, что высокие показатели в этом слу­ чае найдены при содержании серебра 1—3%, а не у более легированных сплавов. Последние оказываются менее проч­ ными почти при всех температурах. Таким образом, литые сплавы с 4—5% серебра в ряду исследованных композиций имеют наименьшие показатели пластичности и прочности.

Анализируя данные работы [314] об изменении меха­ нических свойств серебряных бронз с температурой, можно отметить следующие особенности: общее понижение плас­ тичности при нагреве образцов и сложное изменение отно­ сительного сужения с температурой, иное, чем в некоторых других системах, например в Си—Zn [315], Си—-Al [243]. Однако тщательный анализ данных о пластичности (рис. 94, а) и рассмотрение их вместе с результатами определе­ ния прочности (рис. 94, б) позволяют достаточно четко вы­ делить температурные области аномального изменения свойств и у медно-серебряных сплавов.

Так, предел прочности литых серебряных бронз резко возрастает при 150—200°, и в этой же области наблюдает­ ся небольшое снижение пластичности. Выше 200° прочность уменьшается и далее не изменяется вплоть до 400°. Однако при 450—500° сплавы вновь упрочняются. Вблизи 550° об­ наруживается провал прочности, который сопровождается всплеском пластичности (рис. 94, а). Таковы свойства ли­ тых сплавов с 1, 2 и 3% серебра. У более легированных бронз предел прочности с температурой изменяется несколь­ ко иначе: сплавы, содержащие 4, 5 и 6% серебра, не упроч­ няются при 150—200°

Анализируя причины особого изменения механических свойств медно-серебряных сплавов с концентрацией и тем­ пературой, следует иметь в виду, что в литом состоянии они закалены, а значит представляют собой пересыщенный твердый раствор серебра в меди. В связи с этим повышение прочности вблизи 150—200°, очевидно, является следстви­ ем развития старения во время нагрева и растяжения спла­ вов, закаленных при литье. Выше 200° они «перестариваются» ' и разупрочняются. Новое упрочнение при 450—500° (рис. 94, б) связано с обратным растворением частиц второй фазы в a-твердом растворе (в соответствии с диаграммой со­ стояния [171]), приводящим к увеличению его легирован­ ное™.

Сплавы всех составов кристаллизовались и охлаждались после литья в одинаковых условиях, поэтому их поведение при разрыве в принципе должно быть одинаковым. Упрочне-

204

ниє в более легированных образцах должно проявляться сильнее в связи с большей степенью их пересыщения при литье. Однако опыты [314] показали, что бронзы, более бо­ гатые серебром, при распаде не упрочняются. По этому признаку сплавы разделяются на две группы, свойства ко­ торых изменяются по-разному под влиянием температуры и деформации: первая — с 1—3% серебра и вторая—с бо­ лее высоким содержанием этого элемента. Следует отме­ тить, что такое разделение нельзя объяснить исходя из су­ ществующей диаграммы состояния.

Рис. 95. Прочность отожженных медно-серебряных сплавов с содержанием серебра, % : 1 — 1; 2 — 2 ; 3 — 5; 4 — 6.

Совсем иначе изменяются свойства равновесных сплавов. В этом случае независимо от содержания серебра обнару­ живается широкая зона (от 250 до 600°) повышенной проч­ ности с размытым максимумом. Сужение образцов до 300° практически не изменяется, затем с ростом температуры немонотонно снижается. Упрочнение равновесных бронз с одновременным понижением пластических свойств, очевид­ но, связано с увеличением легированности твердого раство­ ра вследствие растворения второй фазы при отжиге. Такое явление наблюдается и в других системах [316].

Обращает на себя внимание тот факт, что у второй груп­ пы сплавов прочность с температурой у литых (рис. 94, б) и отожженных образцов изменяется почти одинаково (рис. 95). Следовательно, литые образцы второй группы не зака­ ливаются при литье. Все равновесные сплавы интен­ сивно разупрочняются вблизи 600°. Около этих же темпе­ ратур резко снижается прочность и литых бронз, содержа­ щих от 1 до 3% серебра.

205

Аналогичные данные получены при исследовании кон­ центрационной зависимости микротвердости сплавов (рис. 96). В литом состоянии они имеют наибольшую твердость, которая нарастает лишь до 4% серебра. Более легирован-

Рис. 96. Изотермы микротвердости медно-серебряных спла­ вов: 1 — 20; 2 — 100; 3 — 400; 4 — 550; 5 — 700; 6 — 800°.

ные образцы оказываются менее твердыми. Для отожжен­ ных бронз наблюдается другая зависимость: с увеличением содержания серебра до 3% микротвердость уменьшается, затем резко увеличивается. Дальнейшее ее изменение опи­ сывается кривой с минимумом вблизи 5% серебра. Если эти сплавы затем подвергнуть закалке, то концентрацион­ ный ход микротвердости снова меняется. При закалке с 20—500° отмечаются два минимума Н^: при 3 и 5% сереб­ ра. Первый из них исчезает после закалки с 550° в связи с резким разупрочнением сплавов, содержащих 1 и 2% се­ ребра. Именно при этой температуре было обнаружено ин­ тенсивное разупрочнение сплавов первой группы при иссле­ довании механических свойств. Второй минимум микро­ твердости (у состава с 5% серебра) сохраняется при всех температурах закалки, кроме 800°.

206

Концентрационная зависимость параметра кристалли­ ческой решетки ci-твердого раствора в системе медь — сере­ бро. В связи с разделением медно-серебряных сплавов раз­ ной легированное™ по изменению механических свойств

Рис. 97. Параметр кристаллической решетки a-твердого рас­ твора медь — серебро по данным работ: 1—[310]; 2—

[309]; 3— [307]; 4 — [170].

на две группы интересно проследить за особенностями дру­ гих свойств образцов разного состава и, в первую очередь, за параметром кристаллической решетки. Концентрационная зависимость параметра кристаллической решетки a-фазы в медно-серебряных сплавах, построенная по данным разных авторов [307, 309, 310], различна и отклоняется от теорети­ ческой кривой, построенной в соответствии с законом Вегарда (рис. 97). Отклонения возрастают с увеличением концен­ трации серебра. Имеющиеся по этому вопросу литератур­ ные данные немногочисленны и противоречивы, по ним нельзя судить об изменении параметра в интервале 3—5% серебра, т. е. в особенно интересной области. Для этой цели специально исследовались литые, равновесные и закален­ ные пробы, взятые из той же партии заготовок, которые ис­ пользовались для определения механических свойств [317]. Величина параметра кристаллической решетки а-фазы (рис. 98) в сплавах разного состояния, содержащих до 3% серебра, мало зависит от термообработки. Литые, закален­

207

ные и охлажденные с печью образцы имеют очень близкие периоды решетки твердого раствора. Лишь длительное сту­ пенчатое охлаждение от 750 до 100° и последующая вы­ держка образцов при температуре 100° в течение двух ме-

сяцев приводит к некоторому выделению серебра. При этом параметр решетки уменьшается, однако не достигает равно­ весного значения (рис. 98, кривая 3).

Совершенно иная картина наблюдается для сплавов, со­ держащих больше 3% серебра, т. е. относящихся ко второй группе. Распад твердого раствора в этом случае происходит уже при охлаждении после литья в медных изложницах, о чем свидетельствуют значительно более низкие величины периодов решетки, чем в закаленных образцах (рис. 98, кри­ вая 7). Выделение серебра из a-фазы наиболее интенсивно протекает в сплаве с 5% серебра: на кривой концентрацион­ ного изменения параметра у этого состава образуется мини­ мум (рис. 98, кривая 1, 2). Различный вид имеют и рентге­ нограммы этих образцов: у второй группы сплавов интер­ ференционные линии (420) и (331) размыты, в то время как для бронз, содержащих до 3% серебра, получаются четкие

208

линии с хорошо разделенными дублетами. На рентгенограм­ мах сплава с 5% серебра обнаруживаются триплетные реф­ лексы.

При повторной съемке, когда половина экспозиции про­ ходила с вращением образца, на рентгенограмме отражались два изоморфных твердых раствора на медной основе: об этом свидетельствовали дополнительные Кх-отражения и особенно двойные рефлексы, полученные в Кр -излучении меди. По расположению линий на рентгенограммах было видно, что эти твердые растворы (щ И С^) имеют близкие значения параметров решетки, вследствие чего отражения

.К'а-.-фазы с большим периодом налагаются на рефлексы Ка, -фазы с меньшим параметром. Поэтому четыре интерфе­ ренции представлены на рентгенограмме в виде триплета. Период решетки сц-фазы (Оі) равен 3,621 kX, а а2-фазы

(а2)—3,628 kX.

Длительное ступенчатое охлаждение приводит к исчез­ новению твердого раствора с более высоким параметром. Сплавы второй группы в равновесном состоянии имеют одинаковое значение периода кристаллической решетки, равное 3,617 kX (рис. 98, кривая 3). Концентрационный ход параметра отожженных образцов характеризуется кривой 2 рисунка 98, показывающей, что в сплаве с 5% серебра име­ ются два твердых раствора.

По данным экспериментов [317], нагрев образцов до 400° и последующая закалка не изменяют концентрацион­ ного хода параметра, и в сплаве, содержащем 5% серебра, сохраняется два твердых раствора на основе меди. При этом линии более богатой серебром фазы (а2), имеющей постоян­ ную решетку а2 = 3,628 kX, постепенно ослабевают и закал­ ка с 425° фиксирует лишь один твердый раствор с парамет­ ром a¡ = 3,621 kX (рис. 99, кривая 2). Дальнейшее повыше­ ние температуры вплоть до 550° в противоречие с существую­ щей диаграммой состояния приводит к уменьшению перио­ да решетки. При 600° его величина возрастает и продолжает увеличиваться далее до 700°. На рентгенограмме образца с 5% серебра, закаленного с 750°, линии размыты, а закалка с 800° вновь фиксирует два твердых раствора с параметрами 3,634 и 3,627 kX (рис. 99, кривая 5). Таким образом, в об­ ласти высоких температур сс-твердый раствор серебра в меди расслаивается.

Уменьшение параметра в области 425—550° наблюдает­ ся и для остальных сплавов второй группы, что связано, ве­ роятно, с дораспадом твердого раствора. При закалке с бо­ лее высоких температур параметр решетки возрастает, од­ нако присутствие двух твердых растворов не обнаружено.