Особливості термічної обробки сплавів кольорових металів.

Мета роботи: вивчення зв'язку між мікроструктурою й властивостями сплавів кольорових металів після термічної обробки

Прилади та обладнання: зразки алюмінію, дюралюміну, зразки мікроструктури кольорових металів і сплавів, металографічний мікроскоп МИМ-7, прилад ТШ-2.

Теоретична частина

Застосування кольорових металів та сплавів дає можливість значно збільшити довговічність конструкцій ( антикорозійні властивості ), збільшити теплопровідність (теплообмінники, холодильники) та електропровідність (електротехнічні вироби). До кольорових металів відносять алюміній, мідь, магній, титан, нікель та ін. Широке застосування в сільськогосподарському машинобудуванні мають сплави алюмінію з міддю ( дюралюміни ), кремнієм (силуміни); сплави міді з цинком (латуні), сплави міді з іншими елементами (бронзи); легкоплавкі сплави олова зі свинцем (бабіти) та ін.

Алюміній і його сплави.

Алюміній – один з найважливіших промислових металів. Температура плавлення – 657⁰С, питома вага – 2,7 г/см³. Алюміній має високу електропровідність і теплопровідність, гарну корозійну стійкість, пластичність, але має низьку міцність. Прокатаний і відпалений алюміній має σ=8-10 кг/мм², НВ=25-30 кг/мм², δ=35-40%. Шляхом наклепу міцність алюмінію можна довести до 16-20 кг/мм².

Через низьку міцність і твердість алюміній мало придатний як конструкційний матеріал, тому використаються сплави на основі алюмінію. Найпоширенішими присадками є мідь, магній, цинк, марганець, кремній, хром.

За технологічними властивостями алюмінієві сплави поділяють (рис.1. ) на сплави:

Рис.1. Схема діаграми алюміній – легуючій елемент

І – що деформуються і не зміцнюються термічною обробкою;

ІІ – що деформуються і зміцнюються термічною обробкою;

ІІІ – ливарні.

Сплави, що деформуються, призначені для одержання напівфабрикатів (плити, прутки, труби), а також для кування, штампування, пресування, волочіння, а ливарні сплави - для фасонного литва.

Алюмінієві сплави, що деформуються і не зміцнюються термічною обробкою ( I, рис. 1). Це сплави типу Аl-Mn ( АМц ) і Аl-Mg ( АМг3, АМг5), добре обробляються тиском ( прокатка, штамповка, пресування ), зварюються, обробляються різанням.

Термічну обробку використовують для сплавів, що деформуються ( II, рис.1. ) та ливарних сплавів ( III, рис.1. ). До алюмінієвих сплавів, що деформуються і зміцнюються термічною обробкою, належать дюралюміни ( Д1, Д6, Д16 ). В структурі ливарних сплавів ( АЛ2, АЛ4, АЛ9 ), присутня евтектика, яка поліпшує ливарні властивості. Ці сплави використовують для виготовлення литих мало- і середньонавантажених деталей ( наприклад, турбонасосів ), та деталей, що працюють з великим навантаженням, які через складність форми не можна виготовити методами обробки металів тиском (наприклад, блок циліндрів двигуна внутрішнього згоряння ).

Види термічної обробки, які використовуються для сплавів кольорових металів:

1. дифузійний відпал, застосовують для усунення ліквації в зливках або відливках перед обробкою тиском (кування, прокатка, пресування ). Відпал сприяє одержанню дрібнозернистої структури й рівномірному розподілу металевих фаз. Так, температура відпалу алюмінію - 370-400ºC (20НВ), міді - 500-700ºC (35НВ), нікелю -750-900 ºC (80НВ).

2. рекристалізаційний відпал, застосовують для усунення наклепу. Він проводиться як проміжна операція при холодній деформації для підвищення пластичності.

3. зміцнююча термічна обробка полягає в гартуванні й наступному старінні. Режим гартування: нагрівання сплаву, витримка, швидке охолодження в холодній воді або повітряно-водяної суміші (спрерне охолодження). Мікроструктура кольорових сплавів після гартування - це пересичений твердий розчин, що зберігається протягом деякого часу (декілька годин). Цей період називають інкубаційним. На відмінність від сталі, загартований кольоровий сплав має низьку твердість і підвищенну пластичність, що дозволяє під час інкубаційного періоду деформувати його в холодному стані.

Структура пересиченого твердого розчину термодинамічно нестійка: після інкубаційного періоду починається розпад пересиченого розчину з виділенням надлишкової фази у вигляді дрібнодисперсних частинок металічної сполуки - старіння. Старіння розглядають як зміну властивостей (зміцнення сплаву) протягом часу без помітних змін мікроструктури.

Розглянемо процес старіння на прикладі дюралюмінів (сплавів алюмінію з міддю). Пересичений твердий розчин міді в алюмінії, зафіксований гартуванням, нестійкий. Початковий період старіння полягає в тому, що атоми міді, розташовані хаотично в кристалічній решітці алюмінію, згодом починають дифундувати в дефектні ділянки, утворюючі зони з підвищеною концентрацією міді (зони Гиньє-Престона або ГП - зони ). На цій стадії старіння атоми міді виділяються із твердого розчину. Вони утворять тонкі пластинчасті утворення міді товщиною декілька атомних шарів ( 0,5-1 нм ), що призводить до змін у кристалічній решітці розчинника, підвищенню твердості і міцності. У зонах Гиньє-Престона вміст міді підвищений, але ще не відповідає формулі CuAl₂. Цю стадію називають зонним старінням, вона призводить до різкого підвищення твердості й міцності сплаву, але водночас до зменшення пластичності.

Подальший розвиток процесу старіння полягає у збільшенні розмірів зон Гиньє-Престона і підвищенні в них вмісту міді. У результаті утворюються дрібнодисперсні виділення нової фази CuAl₂, що має свою кристалічну решітку, відмінну від решітки α-розчину. На цій стадії старіння ще зберігається висока твердість і міцність, тому що зберігається дисперсність CuAl₂. При збільшенні витримки при кімнатній температурі або при підвищенні температури сплаву відбувається ріст часток CuAl₂, їх коагуляція, що призводить до зниження твердості й міцності сплаву.

Швидкість старіння залежить від температури. Розрізняють природне (при 20°С) і штучне (при нагріванні до 200°C) старіння. У процесі природного старіння відбуваються підготовчі до виділення CuAl₂ процеси. Само виділення може відбуватись при більш високих температурах, що забезпечує достатню швидкість дифузії атомів міді в алюмінії.

Штучне старіння використовують для деталей, які працюють при підвищених температурах (до 200°С). Підвищення температури старіння прискорює процес. Максимальна міцність спостерігається при температурі 20°C. З підвищенням температури старіння міцність знижується. Ефект старіння дюралюміну, тобто різниця у твердості між загартованим і зістареним станом, поступово зростає зі збільшенням змісту міді.

Порядок виконання роботи:

ЗАВДАННЯ 1.

1. Отримати у викладача зразки алюмінію та дюралюміну після старіння.

2. Встановити зразок на столик.

3. Поворотом маховика столик приладу ТШ 2 підніміть, щоб індентор ( кулька діаметром 10 мм) міг втиснутися у випробувану поверхню.

4. Увімкніть двигун, що вдавлює індентор вантажем ( 250 кГ – алюміній, 1000 кГ – дюралюмін). Це навантаження діє протягом 30 секунд.

5. Після автоматичного вимикання двигуна та зняття навантаження опустіть столик, повертаючи маховик, зніміть зразок.

6. Діаметр відбитка виміряйте у двох перпендикулярних напрямках (мм) за допомогою мікроскопа, використайте середнє значення.

7. Розрахуйте твердість, складіть звіт.

ЗАВДАННЯ 2.

1. Загартовані (від 500ºC) зразки дюралюміну зістаріти при 150ºC протягом 10 хв., 20 хв., 30 хв.

2. Визначити твердість НВ10/1000/30.

3. Побудувати графік зміни твердості від часу старіння.

4. Скласти звіт.

ЗАВДАННЯ 3.

1. Замалювати надані викладачем мікроструктури алюмінію та дюралюміну.

2. Проаналізувати мікроструктуру та властивості даних матеріалів.

3. Проаналізувати структурні перетворення та властивості після термічної обробки (гартування й наступне старіння).

4. Скласти звіт.

Дайте відповіді на запитання:

1. Які види термообробки використовують для сплавів кольорових металів?

2. Як і чому кольорові сплави поділяють за технологічними властивостями?

6. Що таке старіння, з якою метою використовується?

7. Які зміни мікроструктури відбуваються при старінні?

8. Що таке природне і штучне старіння?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №13.