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

меньшей твердостью по сравнению со сплавом, имеющим промежуточную степень порядка.

Каков бы ни был в действительности механизм упрочне­ ния в а-латунях при старении, ясно одно, что он связан с развитием превращений в сплаве, с переходом неустойчивой в данных условиях структурной формы к ее равновесному состоянию. Стабилизация сплава уже сама по себе заметно меняет «уровень» свойств, однако именно в процессе пере­ хода возникают резкие отклонения от этих «уровней». В ча­ стности, сопротивление деформированию изменяется не по­ степенно от одной величины (свойственной неравновесному состоянию) к другой (соответствующей равновесному спла­ ву), а проходит через максимум. Как показали опыты, эф­ фект твердения наблюдается только в неравновесных спла­ вах. Как уже указывалось, даже обычное охлаждение а-латуней (вместе с выключенной печью) является для них

ния развития старения и связанного с ним аномального по­ ведения материала является предварительная стабилизация латунных изделий и полуфабрикатов. Этот прием в ряде случаев уже используют в производстве, подвергая дефор­ мированные сплавы низкотемпературному стабилизирую­ щему отжигу.

Специальные латуни

Для получения латуней с особыми свойства­ ми в них кроме цинка вводят еще один или несколько ком­ понентов. При сложном легировании чаще всего использу­ ются алюминий, никель, кремний, олово, свинец и марга­ нец. Эти элементы входят в сплав в различных комбина­ циях между собой.

Структура образующихся композиций имеет некоторые особенности. Как правило, a-фаза на диаграмме состояния сложных латуней занимает меньшую концентрационную область по сравнению с бинарной системой.

Известно, что образование твердых растворов между металлами зависит от ряда факторов. Среди них главными являются электронная концентрация сплава, кристалличе­ ское строение сплавляемых металлов и соотношение разме­ ров их атомов. При взаимодействии меди с металлами, имеющими высокую валентность, электронная концентра­

60

ция твердого раствора возрастает быстрее, чем при раство­ рении металлов с низкой валентностью. Это положение бе­ рут за основу при решении вопроса о пределах растворимо­ сти того или иного металла в меди. В общем случае элек­ тронную концентрацию твердого раствора можно рассчитать по известной формуле:

талла в сплаве, ат.%.

Считается, что для каждого типа кристаллической ре­ шетки существует предельная концентрация электронов, оп­ ределяющая ее устойчивость при образовании твердых ра­

зом, растворимость цинка в меди у сложных латуней тем меньше, чем выше валент­ ность других металлов, со­ ставляющих этот комплекс.

Н. В. Агеев [168] приводит диаграмму изменения элек­ тронной концентрации одно­

61

Пользуясь этими данными, можно рассчитать, какое коли­ чество каждого из различных металлов заменяет 1 ат. % цинка в структурно-эквивалентном сплаве. Расчетные экви­ валенты, полученные на основе представлений о предельной электронной концентрации, совпадают со значениями коэф­ фициентов Гийе, найденными практическим путем для кремния, алюминия и никеля. Эквиваленты Гийе для дру­ гих металлов не сходятся с теоретическими из-за влияния на структуру при образовании сплавов кроме электронной концентрации некоторых других факторов.

Металлы, используемые для сложного легирования ла­ туней, имеют следующие коэффициенты Гийе: кремний — 10—12; алюминий — 4—6; олово — 2; свинец — 1; желе­ зо — 0,9; марганец —0,5; никель — (—1,3), которыми поль­ зуются для приближенного определения структуры сложных латуней по химическому составу.

Исследователи [14, 33] замечают, что при взаимодейст­ вии с некоторыми элементами медь легко отдает свои элек­ троны из заполненных оболочек, т. е. ведет себя как пере­ ходный металл. В этом случае она может выступать как двух-, трех- и четырехвалентный металл. Тогда закономер­ ности образования ее твердых растворов усложняются и в структурном состоянии сплавов обнаруживаются различ­ ные аномалии.

Для получения латуней специального назначения в их состав в последнее время вводят одновременно четыре, пять и более компонентов. Диаграммы состояния таких компози­ ций еще не изучены и о их свойствах и строении иногда су­ дят на основании более простых — двойных и тройных — си­ стем, однако такое прогнозирование структуры и свойств сплавов неточное, так как в многокомпонентных системах происходит сложное химическое взаимодействие элементов и закономерности, найденные для бинарных твердых ра­ створов, не оправдываются. Обычно в этих сплавах наблю­ даются большие отклонения в характере изменения струк­ туры и свойств от законов, установленных Н. С. Курнаковым [169] и Вегардом [170].

Свинцовистые латуни. Свинец вводится в цветные спла­ вы, чтобы улучшить их обрабатываемость резанием. Он спо­ собствует образованию гетерогенной структуры, в которой прослойки второй фазы имеют резко отличные свойства от матрицы. Это позволяет получать при резании мелкую сы­ пучую стружку. Неоднородность состава и свойств таких композиций делает их, кроме того, хорошим антифрикцион­ ным материалом. Присутствующий в обычных сплавах в малых количествах свинец является вредной примесью,

62

ухудшающей свойства, и его содержание ограничивается существующими стандартами [79].

К латуням в зависимости от их назначения свинец до­ бавляется в количестве от 0,5 до 2—3%. Из диаграммы со­ стояния цинк — свинец [171] следует, что последний нера­ створим в цинке, причем область расслоения компонентов в жидком состоянии при 418° (монотектическая температура) охватывает почти весь диапазон концентраций от 2 до 92,3% цинка. При комнатной температуре растворимость свинца в цинке не превышает 0,03%.

Принято считать, что с a-фазой в латунях, как и с ме­ дью и цинком, свинец не взаимодействует, а в a+ß-лату- нях он растворим до 0,1%. Фазовый состав отожженных свинцовистых латуней рекомендуется определять по изотер­ мическому разрезу тройной диаграммы состояния медь — цинк — свинец [102]. Из нее следует, что свинец не оказы­ вает заметного влияния на изменение границ фазовых пре­ вращений и присутствует в сплаве в виде самостоятельной фазы. В а-латунях свинец располагается по границам зерен и при высоких температурах действительно резко снижает пластичность, что видно из таблицы 2.

Таблица 2

Влияние свинца на пластичность латуни Л68 при статическом растяжении [172]

Вместе с тем заметное снижение пластичности в присут­ ствии свинца наблюдается и при обычных температурах, т. е. в данном случае свинец ведет себя как легирующая до­ бавка. При первичной кристаллизации двухфазных латуней свинец также располагается на границах кристаллов, но в процессе термической обработки, при перекристаллизации, обусловленной превращением a^a+ß, значительная часть его оказывается внутри зерен, и поэтому вредное действие его ослабляется. Именно так объясняется достаточно высо­ кая пластичность (т)?=0,7—0,8) свинцовистых двухфазных латуней при температурах 650—750° [173].

63

Латуни группы ЛС74-3. Особенности свойств этих сплавов связаны с принадлежностью их к группе упорядо­ чивающихся латуней, близких к стехиометрическому со­ ставу Cu3Zn. Изменение свойств свинцовистых а-латуней, как и бинарных сплавов, зависит от развития превращений типа «порядок — беспорядок» при изменении температуры и под влиянием деформации. Превращения сопровождаются фазовым наклепом и резким повышением прочностных свойств, неравномерным во времени и по объему сплава. В присутствии свинца неравновесность литой а-латуни усили­ вается за счет образования пересыщенного свинцом а-твер- дого раствора при закалке его из жидкого состояния [158]. Поэтому процесс стабилизации свинцовистой а-латуни про­ текает интенсивнее и вызывает более резкое изменение меха­ нических свойств в процессе деформации и отжига по срав­ нению с обычными а-латунями. Г. Н. Нысанбаевым [174] показано, что у сплава ЛС74-3, закаленного из жидкого со­ стояния, параметр кристаллической решетки и микротвер­ дость ниже, чем у латуни без свинца. При отпуске закален­ ных образцов свинцовистой латуни микротвердость увели­ чивается. Повышение микротвердости обнаруживается и в процессе отжига деформированных сплавов.

Применением малых добавок и низкотемпературного от­ жига (вблизи 250°) удается довести свойства и параметр

.кристаллической решетки a-фазы в сплаве ЛС74-3 до вели­ чин, близких к параметрам сплава без свинца [175]. При разработке технологии холодной прокатки латуни ЛС74-3, отливаемой в водоохлаждаемые изложницы, когда фактиче­ ски осуществляется закалка сплава, особенно в поверхност­ ных слоях слитка, эти явления следует учитывать.

Специальными исследованиями влияния свинца на строение и свойства латуней установлено, что его роль про­ является уже в период затвердевания слитка, особенно при неравновесной кристаллизации, практически всегда имею­ щей место в производстве. В этих условиях свинец ведет се­ бя как добавка, которая влияет на формирование микро­ структуры латуней, измельчая зерно литых и отожженных сплавов [174].

Введение свинца изменяет характер температурной за­ висимости механических свойств латуней. Аномальные эф­ фекты упрочнения, наблюдаемые при нагреве простых спла­ вов, в свинцовистых композициях выражены намного ярче [176]. Добавка нескольких десятых процента кремния или никеля устраняет влияние свинца, и показатели свойств становятся такими же, как у простых латуней. Свинец очень активно влияет и на ход процессов, протекающих при от-

64

жиге деформированных латуней, а также при отпуске за­ каленных сплавов, т. е. на возврат, упорядочение и рекри­ сталлизацию. Из работы [176] следует, что в присутствии свинца изменяются абсолютная величина микротвердости деформированных и закаленных сплавов и температурные интервалы, в которых наблюдаются аномальные эффекты при термической обработке. В результате отжига при высо­ ких температурах, а также после закалки с 750° в сплавах со свинцом микротвердость возрастает и становится выше, чем в простых латунях. Отпуск после закалки не приводит к снижению микротвердости, и у свинцовистых латуней она продолжает оставаться более высокой, чем в сплавах без свинца. Все эти данные указывают на то, что свинец влияет на кинетику процесса старения латуней.

Изменение электросопротивления при термической обра­ ботке простых и свинцовистых латуней резко различно. Под влиянием свинца меняются абсолютное значение показате­ лей и сам характер их зависимости от термообработки. При отпуске закаленного сплава Л75 электросопротивление сни­ жается до минимума около 300° вследствие развития про­ цесса упорядочения a-твердого раствора. В свинцовистой ла­ туни при таком же содержании меди минимум электросо­ противления при отпуске возникает при 200°. Его дальней­ ший ход для простых и свинцовистых латуней также разли­ чен [176]. Сравнение данных по изменению электросопро­ тивления простых и свинцовистых латуней под влиянием термической обработки свидетельствует о влиянии свинца на развитие процесса упорядочения в а-фазе.

Активная роль свинца в изменении состояния латуней выявляется и при рентгеноструктурном исследовании этих сплавов. Сильно размытые линии на рентгенограммах дефор­ мированного сплава Л75 остаются такими же после 30 мин отжига при 300°, отдельные пятна, свидетельствующие о развитии рекристаллизации, появляются лишь через 3 ч отжига. У свинцовистой латуни, деформированной с той же степенью наклепа (50%), как и Л75, четкие пятна на рент­ генограммах обнаруживаются уже в результате 30-минутно­ го отжига при 300°. Следовательно, скорость диффузионных процессов в латунях под влиянием свинца возрастает. Весь­ ма интересна роль кремния в свинцовистых латунях, вве­ дение которого в небольших количествах как бы нейтрали­ зует влияние свинца, задерживая рекристаллизацию лату­ ни ЛС74-3, так как рентгеновские рефлексы на рентгенограм­ мах сплавов остаются размытыми даже после 3-часового от­ жига при 400°.

Следует заметить, что свинцовистые латуни, получен-

ные разным способом литья, имеют, как и медь, различные технологические свойства и кинетику превращений при по­ следующей термообработке. Исследования показали, что латунь ЛС74-3, отлитая в медную водоохлаждаемую излож­ ницу, при низкотемпературном отжиге около 100° за 15 мин твердеет на 20—25 кг/мм2. У этого же сплава, отлитого в чугунную изложницу, охлаждаемую на воздухе, обнаружи­ вается эффект твердения лишь при часовом отжиге, а при­ рост твердости в этом случае составляет 19 кг¡мм2. Эти дан­ ные указывают на более медленную стабилизацию сплава, отливаемого по второму варианту. Различное исходное со­ стояние, определяемое скоростью охлаждения при кристал­ лизации, сказывается на технологических свойствах спла­ вов: при переходе от литья в чугунные изложницы к литью в медные водоохлаждаемые слитки растрескиваются при прокатке вследствие усиления развития процесса старения a-фазы в момент деформации. При более медленной кри­ сталлизации в чугунных изложницах неравновесность спла­ ва, возникающая при литье, снижается и последующее ста­ рение протекает более вяло. Прокатка такого сплава прохо­ дит раньше, чем понижается пластичность, и трещин не об­ разуется.

Становится очевидным, что технологические свойства свинцовистой, как и простой а-латуни, связаны с развитием превращения, а именно упорядочения твердого раствор.а. Латуни, деформированные с высокими обжатиями, пред­ ставляют собой разупорядоченные сплавы. При их отжиге процессы возврата и рекристаллизации совмещаются с уста­ новлением упорядоченного состояния, ведущего к нараста­ нию фазового наклепа. Режим отжига включает в себя на­ грев, выдержку и охлаждение. На какой-то из этих стадий возникает максимальный эффект твердения и появляется наибольшая вероятность образования трещин в металле в связи с неравномерным развитием превращений.

Этот вопрос изучался в работе [157]. В качестве экспе­ риментального материала была использована свинцовистая а-латунь марки ЛС74-3, для которой более ранними экспери­ ментами [177] было установлено сильное твердение образ­ цов при отжиге. Кроме того, при обработке этого сплава в производственных условиях неоднократно наблюдалось по­ явление трещин. Предстояло выяснить, какое влияние на изменение свойств при отжиге оказывают скорости нагрева и охлаждения, а также степень предварительной деформа­ ции сплава.

Латунь, содержащую 72,96% меди и 2,66% свинца, от­ ливали в медную водоохлаждаемую изложницу и прокаты-

66

вали вхолодную с различными обжатиями: 10, 15, 20, 24 и 28%. Образцы, вырезанные из этих заготовок, нагревали до 250° со скоростью от 0,8 до 2 градімин п затем закали­ вали в воде. В другом случае пробы, отожженные при 550° в течение 5,5 ч, охлаждались при температурах 250—100° со скоростью от 0,5 до 2 градімин. После этого определя­ лась их микротвердость.

Исследования показали, что при нагреве до 250° со ско­ ростью 0,8—1,7 градімин все пробы твердеют кроме сплава,

обжатого на 10% (рис. 28). Эффект твердения зависит от степени предварительной деформации и от скорости нагрева образцов при отжиге. Для каждой степени деформации су­ ществует определенная скорость нагрева, при которой обна­ руживается наибольшее повышение твердости. В интервале

этого воздействия, очевидно, зависит от полноты протека­ ния превращений, которая определяется временем пребыва­ ния образцов в определенных температурных интервалах, иначе говоря, скоростью охлаждения.

Действительно, твердость рекристаллизованных образ­ цов находится в прямой зависимости от скорости охлажде­ ния после отжига: чем она выше, тем меньше разупрочне­ ние сплава, достигаемое при отжиге (рис. 29). Следователь­ но, свинцовистые сс-латуни твердеют не только в процессе нагрева, но и на стадиях охлаждения. При рассмотрении полученных данных (рис. 28, 29) можно заметить некоторую

67

разницу в развитии эффектов твердения при охлаждении и нагреве. Прежде всего в первом случае твердеют все об­ разцы, в том числе и с малой степенью деформации (10%). Кроме того, влияние степени предварительного наклепа на твердение при охлаждении в два раза меньше, чем при на­ греве. Таким образом, твердение при охлаждении значи­ тельно меньше зависит от предварительной деформации сплава, очевидно, вследствие развития рекристаллизации, выравнивающей их состояние перед стадией охлаждения.

Рассмотрение экспериментальных данных показывает, что в общем случае твердение свинцовистой а-латуни при нагреве в интервале температур 100—250° развивается не­ монотонно и зависит от степени предварительной деформа­ ции и скорости нагрева. Сложный характер изменения ми­ кротвердости в этом случае можно объяснить протеканием

конкурирующих процес­ сов: упрочнения при упо­ рядочении, сопровождае­ мом фазовым наклепом, и разупрочнения вследствие возврата и рекристаллиза­ ции.

Для каждой степени де­ формации имеется опреде­ ленная, «критическая» ско­ рость нагрева, при котофой достигается максимальное

монотонная зависимость между степенью порядка в упоря­ дочивающихся сплавах и степенью деформации, о чем в ка­ честве предположения уже упоминалось ранее [178].

68

Результаты работы [157] позволяют до некоторой сте­ пени оценить поведение сплава в реальных производствен­ ных условиях. После отжига на поверхности подката лату­ ни ЛС74-3 в ряде случаев появляются трещины. Сопоставле­ ние заводского режима прокатки и отжига с условиями эксперимента показывает следующее. Средняя скорость на­ грева партии слитков при отжиге на заводе колеблется в пределах 2—6 градімин. Однако с такой скоростью нагре­ вается поверхность подката. Внутренние слои металла, оче­ видно, нагреваются медленнее. Поэтому полученные дан­ ные о скорости нагрева сплава в заводской печи несколько завышены. Скорость нагрева 1,7 град¡мин (один из вариан­ тов режима отжига образцов в наших опытах) весьма близ­ ка к ее значению в условиях завода.

Производственные слитки имеют разную толщину, обу­ словленную технологией литья. В соответствии с этим они деформируются по сечению неравномерно (в пределах 10— 30%), а эффект твердения, как видно из приведенных дан­ ных, зависит от степени деформации. Следовательно, при термообработке в неравномерно деформированной полосе возникает неоднородно напряженное состояние. Наибольшее повышение твердости наблюдается при скорости нагрева 1,7 град¡мин. В этих условиях и возможно образование трещин. Максимальная скорость охлаждения партии слит­ ков в области температур 250—100° равна 2,5 град/мин. Ос­ новная их часть остывает со скоростью 0,8—1,0 градімин. При этих скоростях охлаждения твердость сплава заметно ниже, чем после прокатки, поэтому возникновение трещин в процессе охлаждения маловероятно.

Таким образом, растрескивание проката в процессе от­ жига скорее всего происходит на стадии нагрева, что необ­ ходимо учитывать при установлении оптимальных режимов обработки латуней.

Важные результаты получены в работе [158] при изы­ скании режимов стабилизирующего отжига свинцовистой латуни, предотвращающего твердение при последующей тер­ мообработке. Для этого определялись изменения микротвер­ дости и параметра кристаллической решетки сплава при отпуске в зависимости от режима предварительного отжига.

Учитывая сведения о критических температурах упоря­ дочения [104, 130, 133], образцы деформированного сплава ЛС74-3 отжигали по 6 ч при двух температурах — 250 и 300° — и охлаждали в выключенной печи (что соответство­ вало скорости охлаждения 20 град¡мин). Затем определяли их микротвердость после 15 мин отпуска при 20, 50, 100* 150 и 200° (с охлаждением на воздухе).

69