Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

2. Как необходимо выбирать режим гомогенизационного отжига

меди и ее сплавов?

3. Как выбирают режим рекристаллизационного отжига?

4. Для чего и как проводят неполный отжиг?

5. Как выбирают режим закалки медных сплавов?

6. Какие виды старения применяют для медных сплавов?

7. Перечислите виды брака при термической обработке меди и ее

сплавов.

8. Как взаимодействует

медь и ее сплавы с газами при термической

обработке?

9. Какие защитные атмосферы используют при термообработке ме-

ди и ее сплавов?

10. Охарактеризуйте основные свойства меди.

11. Какие примеси могут быть в меди и как они влияют на структу-

ру и свойства меди?

12. Объясните, что такое «техническая медь» и где ее

применяют.

13. Поясните, что такое «латунь» и какие латуни бывают.

14. Охарактеризуйте структуру и виды термической обработки ла-

туней.

15. Каковы особенности термической обработки α-, (α + β)-, β-латуней?

16. Как добавка алюминия влияет на свойства деформируемой ла-

туни? Охарактеризуйте структуру, режим термообработки, маркировку и

применение алюминиевых латуней.

17. Опишите структуру, свойства, маркировку,

режимы термообра-

ботки, применение деформируемых алюминиево-никелевых латуней.

18. Охарактеризуйте структуру, свойства, маркировку, режимы

термообработки, применение деформируемых кремнистых латуней.

19. Опишите структуру, свойства, маркировку, режимы термообра-

ботки, применение деформируемых кремнесвинцовистых латуней.

20. Приведите структуру, свойства, маркировку, режимы термооб-

работки, применение деформируемых марганцовистых латуней.

21. Охарактеризуйте структуру, свойства, маркировку, режимы

термообработки, применение деформируемых железомарганцовистых

ла-

туней.

22. Приведите структуру, свойства, маркировку, режимы термооб-

работки, применение деформируемых никелевых латуней.

23. Опишите структуру, свойства, маркировку, режимы термообра-

ботки, применение деформируемых оловянистых латуней.

24. Приведите структуру, свойства, маркировку, режимы термооб-

работки, применение деформируемых свинцовистых латуней.

25. Каковы характерные особенности литейных латуней, обрабаты-

ваемых давлением?

26. Чем легируют литейные латуни?

27. Охарактеризуйте структуру, свойства, режимы термообработки,

применение, маркировку оловянных бронз.

28. Приведите структуру, свойства, режимы термообработки, при-

менение, маркировку алюминиевых бронз.

29. Опишите структуру, свойства, режимы термообработки, приме-

нение, маркировку свинцовых бронз.

30. Приведите структуру, свойства, режимы термообработки, при-

менение, маркировку марганцовистых бронз.

31. Охарактеризуйте структуру, свойства, режимы термообработки,

применение, маркировку кремнистых бронз.

32. Приведите структуру, свойства, режимы термообработки, при-

менение, маркировку бериллиевых бронз.

33. Что такое «мельхиор», каковы его структура, свойства, термо-

обработка, применение, маркировка?

34. Что такое «нейзильбер», каковы его структура, свойства, термо-

обработка, применение, маркировка?

35. Объясните, что такое «

куниаль», каковы его структура, свойст-

ва, термообработка, применение, маркировка.

36. Что такое «манганин», каковы его структура, свойства, термо-

обработка, применение, маркировка?

37. Что такое «термоэлектродный сплав», каковы его структура,

свойства, термообработка, применение, маркировка?

38. Объясните, что такое «жаропрочный медный сплав», каковы его

структура, свойства, термообработка, применение, маркировка.

39. Что такое «специальный медный сплав

», каковы его структура,

свойства, термообработка, применение, маркировка?

40. Поясните, какие сплавы относят к электротехническим.

41. Объясните, как можно повысить жаропрочность меди при со-

хранении высокой тепло- и электропроводности.

42. Какие бронзы имеют высокую электропроводность и проч-

ность? Охарактеризуйте их режим термической обработки.

3. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Термическая обработка слитков и деформированных полуфабрика-

тов оказывает существенное воздействие на их структуру и свойства.

Большое разнообразие структур, которые могут быть получены в алюми-

ниевых сплавах после различной термообработки, есть результат различ-

ной степени отклонения сплавов от термодинамически равновесного со-

стояния при комнатной температуре.

Равновесная структура промышленных алюминиевых сплавов,

суммарное содержание легирующих компонентов в которых, за редким

исключением, не превышает 15–18 %, представляет собой твердый раствор

с низким содержанием легирующих компонентов (десятые доли процента)

с включениями интерметаллидных фаз Al

Cu, Al

CuMg, MgZn

, Mg

Si и

т.д.

При таком фазовом составе сплавы, как правило, обладают низкой

прочностью и очень высокой пластичностью. Самой неустойчивой при

комнатной температуре структурой в алюминиевых сплавах, имеющих фа-

зовые превращения в твердом состоянии (термически упрочняемых спла-

вах), является пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в

алюминии, концентрация которых может в десятки раз превышать равно-

весную. При такой структуре алюминиевые сплавы также пластичны, но

значительно прочнее, чем в равновесном состоянии.

Для достижения максимальной прочности термически упрочняемых

сплавов необходимо за счет регламентированных нагревов получить неко-

торую промежуточную структуру, которая соответствует начальным ста-

диям распада пересыщенного твердого раствора.

Для алюминиевых сплавов широкое распространение в металлур-

гическом производстве получили три основных вида термообработки: от-

жиг, закалка, старение [1].

3.1. Отжиг

Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется

в тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное

состояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаще

всего пониженной пластичности.

Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены

три разновидности неравновесных состояний:

▪ Неравновесное состояние, свойственное литым сплавам. Ско-

рость охлаждения сплавов при кристаллизации слитков значительно пре-

вышает скорости охлаждения, необходимые для равновесной кристаллиза-

ции. Особенности литой структуры деформируемых алюминиевых спла-

вов, в частности неравновесная эвтектика по границам дендритных ячеек в

виде почти непрерывных ободков интерметаллидных фаз (рис. 3.1), обуслов-

ливают пониженную пластичность слитков, особенно из высокопрочных

(высоколегированных) сплавов, а отсюда трудности их деформирования.

▪ Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией,

особенно холодной.

▪ Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей

упрочняющей обработки (закалки и старения). Основная особенность та-

кого состояния – присутствие в сплаве более или менее пересыщенного

(легирующими компонентами) твердого раствора с дисперсными выделе-

ниями интерметаллидных фаз. Между этим неравновесным состоянием и

двумя вышерассмотренными имеется принципиальное различие: оно мо-

жет быть получено только в сплавах, претерпевающих фазовые превраще-

ния в твердом состоянии, т.е. в термически упрочняемых сплавах, в то

время как два других состояния наблюдаются и в сплавах без фазовых

превращений в твердом состоянии, и в сплавах с такими превращениями.

Рис. 3.1. Микроструктура слитка сплава Al + 4,0 % Cu. x 250

В соответствии с тремя рассмотренными выше разновидностями

неравновесных состояний, различают три разновидности отжига:

гомогенизирующий отжиг слитка, или гомогенизация;

рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг дефор-

мированных изделий после обработки давлением;

гетерогенизационный отжиг, как правило, термически упрочненных

полуфабрикатов (дораспад пересыщенного твердого раствора и коагуляция

выделившихся интерметаллидов) с целью разупрочнения.

Гомогенизация – разновидность отжига, которая применяется при

производстве деформированных полуфабрикатов. Гомогенизация слитка яв-

ляется первым этапом термической обработки в технологическом процессе.

Слиток с неоднородной, термодинамически неустойчивой структу-

рой подвергают отжигу, в результате которого его структура становится

гомогенной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенси-

фицировать последующую обработку давлением (прессование, прокатка) и

уменьшить технологические отходы. Во многих случаях гомогенизация дает

возможность также улучшить свойства деформированных полуфабрикатов.

Рассмотрим сущность гомогенизации и принципы выбора режима

гомогенизации на примере двойного сплава А1–4 % Сu (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Алюминиевый угол диаграммы

состояния системы Al–Cu

Хотя равновесная структура сплава представляет собой обедненный

медью твердый раствор и вторичные выделения θ-фазы (А1

Сu), в слит-

ках в результате неравновесной кристаллизации образуется неравновес-

ная эвтектика, интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек

(рис. 3.1) состоит из эвтектических (достаточно грубых) включений θ-фазы

(А1

Сu). Если сплав нагреть до температуры выше температуры сольвуса и

выдержать при этой температуре, то эвтектические включения θ-фазы (Al

Cu)

растворятся, выравнивается концентрация меди по сечению дендритных

ячеек и сплав будет иметь гомогенную однофазную структуру. Температу-

ра гомогенизации t

гом

должна быть выше температуры полного растворе-

ния легирующих компонентов в алюминии, т.е. выше t

на рис. 3.2, но ни-

же температуры равновесного солидуса t

сол

. При выборе температуры го-

могенизации следует учитывать наличие в слитке неравновесной эвтекти-

ки, температура плавления которой равна t

эв

. Если слиток быстро нагреть

до температуры выше t

эв

, то эвтектика расплавится, образовавшаяся жид-

кость через некоторое время снова закристаллизуется. Тем не менее нагрев

при гомогенизации до появления жидкой фазы обычно не допускается, по-

скольку это сопровождается межзеренным окислением и образованием по-

ристости, что приводит к снижению прочности и особенно пластичности

сплавов.

Таким образом, t

гом

должна быть ниже t

эв

, однако во многих случаях

для ускорения процесса гомогенизации ее выбирают выше t

эв

, но в этом

случае нагрев до температуры t

гом

должен производиться медленно с тем,

чтобы неравновесная эвтектика рассосалась (растворились интерметал-

лидные эвтектические включения) до достижения температуры t

эв

Нагрев и выдержка при гомогенизации должны обеспечить полное

растворение неравновесных эвтектических включений θ-фазы (А1

Сu).

Выдержка должна быть тем больше, чем грубее эти включения, величина

которых зависит от скорости кристаллизации при литье. В общем случае

выдержка при гомогенизации зависит от коэффициента диффузии компо-

нентов, содержащихся в растворенной фазе.

Температура гомогенизации для промышленных алюминиевых

сплавов колеблется в пределах от 450 до 560

С, а выдержка – от 4 до 36 ч.

Выдержка выбирается экспериментально.

Гомогенизация не должна быть излишне длительной, длительная

гомогенизация может привести к отрицательным эффектам, например, к

образованию вторичной водородной пористости в слитке. Скорость охла-

ждения при гомогенизации обычно не регламентируют, слитки охлаждают

с печью или на воздухе. При таком сравнительно медленном охлаждении

растворенные легирующие компоненты снова выделяются из твердого рас-

твора в виде вторичных интерметаллических кристаллов. Однако эти кри-

сталлы гораздо меньше имевшихся до гомогенизации эвтектических вклю-

чений и более равномерно распределены, поэтому пластичность сплава ос-

тается достаточно высокой. Изложенная на примере сплавов Al–Cu сущ-

ность процесса гомогенизации может быть распространена и на более

сложные алюминиевые сплавы. Отличие этих сплавов от двойных сплавов

Al–Cu заключается лишь в том, что в результате дендритной ликвации у

сложных сплавов в литом состоянии твердый раствор неоднороден не

только по содержанию меди, но и по содержанию других компонентов

(Mg, Zn, Si, Li), а по границам дендритных ячеек залегает не двойная (или

не только двойная) эвтектика α + θ (А1

Сu), а более сложные неравновес-

ные эвтектики, и при гомогенизации происходит растворение различных

интерметаллидных фаз.

В том случае, когда в сплавах содержатся, наряду с одним или не-

сколькими вышеупомянутыми основными компонентами, добавки пере-

ходных металлов (Мn, Cr, Zr), структурные превращения, происходящие

при гомогенизации, усложняются.

На вычерченных в одном масштабе кривых изменения растворимо-

сти меди, магния и марганца в алюминии в зависимости от температуры

(рис. 3.3) видно, что при температурах гомогенизации растворимость меди,

магния и других основных легирующих компонентов (Zn, Li, Si) велика, а

растворимость марганца мала, поэтому в процессе выдержки при этих

температурах медные, магниевые, литиевые, кремниевые интерметалли-

ды растворяются. Вместе с тем из твердого раствора выделяются марган-

цевые (хромовые, циркониевые) интерметаллиды, являющиеся продукта-

ми распада пересыщенного твердого раствора, образовавшегося при кри-

сталлизации.

Рис. 3.3. Кривые растворимости меди, маг-

ния и марганца в алюминии: А – интервал

температур гомогенизации

Легирующий компонент, %

На рис. 3.4 показано влияние марганца на микроструктуру литого

сплава Д16 после гомогенизации. Видно, что в процессе гомогенизации

сплава с Мn, наряду с растворением эвтектических включений θ-фазы

(А1

Сu) и S-фазы (Al

CuMg), из твердого раствора выделяется Мn-интерме-

таллид в дисперсном виде.

Таким образом, применительно к сплавам, в состав которых, кроме

Сu, Mg, Zn, Si, Li, входят переходные металлы (Мn, Сr, Zr), описанная вы-

ше термообработка (гомогенизирующий отжиг), гомогенизируя структуру по

основным компонентам, обусловливает и некоторую гетерогенизацию – вы-

деление алюминидов переходных металлов. Дисперсные частицы марган-

цевых, хромовых, циркониевых интерметаллидов влияют на температуру

рекристаллизации деформированных полуфабрикатов, полученных из го-

могенизированных слитков. При оптимальной дисперсности этих интерме-

таллидов температура рекристаллизации некоторых полуфабрикатов (осо-

бенно горячедеформированных) может быть выше температуры конечной

термообработки. В этом случае в готовых изделиях после термообработки

сохраняется нерекристаллизованная (полигональная) структура, обуслов-

ливающая значительный прирост прочности (структурное упрочнение).

а б

Рис. 3.4. Микроструктура слитков сплава Д16 с 0,4 % Мn, х 800:

а – литое состояние; б – после гомогенизации при 480

С, 24 ч

Дисперсные алюминиды переходных металлов, помимо положи-

тельного влияния на механические свойства деформированных полуфаб-

рикатов, значительно уменьшают склонность ряда сплавов к коррозии под

напряжением.

Таким образом, гомогенизация, являясь средством повышения пла-

стичности слитков перед обработкой давлением, оказывает многогранное

влияние на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов. В

связи с этим гомогенизация широко применяется при производстве полу-

фабрикатов не только из высокопрочных, но и мягких сплавов (даже из

технического алюминия).

Применительно к слиткам для производства прессованных профи-

лей из высокопрочных сплавов разработан процесс гомогенизации с после-

дующим гетерогенизационным отжигом (рис. 3.5). Цель такой обработки –

предельно обеднить твердый раствор легирующими компонентами при

температуре прессования, что приводит к снижению усилия истечения ме-

талла и существенному (на 30–50 %) повышению скорости истечения при

прессовании. Гетерогенизационньй отжиг проводят при температуре ми-

нимальной устойчивости твердого раствора, что обеспечивает его быстрый

распад (достаточна выдержка 1-2 ч) и определенную коагуляцию продук-

тов распада. Слиток, подвергнутый обработке и имеющий минимальное

содержание легирующих компонентов в твердом растворе, при нагреве пе-

ред прессованием сохраняет свое структурное состояние, что и определяет

повышение технологичности в процессе прессования.

Рис. 3.5. Схема гетерогенизирующей обработки после гомогени-

зации: t

– температура гомогенизации; t

– температура мини-

мальной устойчивости твердого раствора

Рекристаллизационный отжиг наиболее распространен в качестве

промежуточного этапа термической обработки между операциями холод-

ной деформации или между горячей и холодной деформацией.

При нагреве деформированных металлов и сплавов до определен-

ной температуры (температуры начала рекристаллизации), которая для

технически чистых металлов составляет 0,4Т

пл

, а для сплавов несколько

выше, в них начинается процесс образования и роста новых зерен с совер-

шенной кристаллической структурой (плотность дислокаций уменьшается

на несколько порядков). Все свойства деформированного металла (или

сплава) в результате рекристаллизации меняются в направлении, обратном

тому, в котором они изменялись при деформации, т.е. прочность и твер-

дость снижаются, а пластичность возрастает. Эта закономерность справед-

лива для тех условий нагрева, при которых не наблюдается еще заметной

собирательной рекристаллизации.

Величина рекристаллизованного зерна, в значительной степени

влияющая на свойства материала после отжига, зависит от степени дефор-

мации перед отжигом (рис. 3.6); температуры нагрева; скорости нагрева;

времени выдержки.

Величина критической степени деформации для разных алюминие-

вых сплавов колеблется в широких пределах, для алюминия она равна 1–3 %

(в зависимости от содержания примесей), а для сплавов выше (4–10 %).

Для избежания собирательной рекристаллизации температура рек-

ристализационного отжига не должна быть высокой, но чтобы не образо-

валось крупное зерно при первичной рекристаллизации, она должна суще-

ственно превышать температуру окончания рекристаллизации.

Схема, показывающая влияние скорости нагрева при рекристаллиза-

ционном отжиге на продолжительность пребывания материала при темпера-

турах между началом и концом рекристаллизации, приведена на рис 3.7.

% холодной деформации

Рис. 3.6. Изменение величины рек-

ристаллизованного зерна алюми-

ния в зависимости от степени пред-

шествующей холодной деформации

, мин

Рис. 3.7. Схема, иллюстрирующая

влияние скорости нагрева на про-

должительность пребывания спла-

ва между t

н.рек

и t

к.рек

: 1 – быстрый

нагрев, 2 – медленный нагрев

На практике температура рекристаллизационного отжига на 50–150

превышает температуру окончания рекристаллизации и для промышлен-

ных алюминиевых сплавов колеблется в пределах от 300 до 500

С. Вы-

держка при температурах рекристаллизационного отжига составляет 0,5–2 ч.

Для алюминиевых сплавов, не упрочняемых термообработкой, ско-

рость охлаждения при рекристаллизационном отжиге, как правило, роли не

играет и может выбираться произвольно (садку после выдержки в печи

обычно охлаждают на воздухе). Для термически упрочняемых сплавов

скорость охлаждения должна быть определенной, как правило, не выше

к.рек

н.рек