Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

ентированных вдоль направлений матрицы <110>, на сферическую [53].

Таким образом, повышение прочностных свойств хромовой бронзы при использовании промежуточной холодной деформации между закалкой и старением связано как с увеличени­ ем плотности дислокаций и формированием особой дислокационной структуры, так и из­ менением плотности выделений и формы час­ тиц хрома, образовавшихся при распаде твер­ дого раствора.

Следует отметить, что деформация после закалки изменяет кинетику старения: макси­ мум упрочнения с увеличением степени де­ формации смещается в сторону меньших вы­ держек (рис. 6.41) и достигается он при более низкой температуре старения, чем у сплавов, состаренных непосредственно после закалки, при равном времени старения.

Дополнительное упрочнение можно так­ же получить, применяя холодную деформацию бронзы после закалки и старения (а не между ними) (рис. 6.42). Однако в этом случае при последующем отжиге разупрочнение начина­ ется при более низких температурах, чем при проведении холодной деформации между за­ калкой и старением [149]. Поэтому первый вариант обработки предпочтителен.

Для получения более полной информации о механизме распада твердого раствора ис­ пользуют диаграммы изотермического пре­ вращения, которые строят в координатах тем­ пература - время (С-кривые).

Рис. 6.42. Влияние температуры старения на твердость сплавов Си - 0,83 % Сг и

Си - 0,88 % Сг - 0,22 % Zr (режим закалки: выдержка при 970 °С в течение 29 мин, закалка), обработанных по режимам [149]:

1 - закалка + старение в течение 1 ч + холодная деформация со степенью обжатия 90 %;

2 - закалка + старение в течение 1 ч

К содержанию хрома в твердом растворе наиболее чувствительна электропроводность. Поэтому кинетику распада пересыщенного твердого раствора в хромовых бронзах изучают по изменению электропроводности в закален­

ном состоянии и после соответствующей изо­ термической обработки. Изменение механиче­ ских свойств при изотермической обработке хромовых бронз невелико, и по ним трудно определить время начала распада твердого раствора. Поэтому для повышения чувстви­ тельности метода при построении диаграмм изотермического распада твердого раствора по изменению механических свойств после изо­ термической выдержки и последующей закал­ ки обязательно проводят дополнительное ста­ рение, которое должно обеспечить достаточно сильное упрочнение [86].

На рис. 6.43 представлены диаграммы изотермического превращения твердого рас­ твора в хромовой бронзе, содержащей 0,56 % Сг, построенные по изменению механи­ ческих свойств и электропроводности образ­ цов, обработанных по схеме: закалка с 1000 °С в соляные ванны (термостат) и после соответ­ ствующей выдержки и охлаждения до комнат­ ной температуры следует старение по режиму - 475 °С в течение 2 ч. Начальная стадия распа­ да, полученная по измерению механических свойств (ст„ и HV) описывается С-кривыми, которые характеризуют время, соответствую-

Время выдержки, с

Рис. 6.43. Диаграммы изотермического превращения твердого раствора в хромовой бронзе Cu-0,56%Cr, построенные по изменению твердости HV, временного сопротивления ов и прироста электропроводности Лео [161]

щее максимальному упрочнению: а„ =450 МПа и 130HV. Начальная стадия распада, получен­ ная по измерению электропроводности, описы­ вается С-кривой, которая соответствует макси­ мальной разности

где ©J, со2 “ соответственно электропровод­

ность после изотермических выдержек в соля­ ных ваннах и после изотермических выдержек и соответствующего старения.

Увеличение прочностных свойств и элек­ тропроводности в течение изотермических выдержек связано с уменьшением степени пе­ ресыщения твердого раствора.

Диаграмма изотермического превраще­ ния в бронзе с 0,56 % Сг (см. рис. 6.43) имеет два минимума устойчивости твердого раство­ ра: при 850 и 500 °С. С-кривые для одинаковой степени распада твердого раствора (с одинако­ выми свойствами) в высокотемпературной и низкотемпературной областях смещены друг относительно друга: в низкотемпературной области устойчивость переохлажденного твер­ дого раствора значительно выше, чем в высо­ котемпературной.

Следует отметить, что два минимума ус­ тойчивости твердого раствора при изотермиче­ ских превращениях встречаются тогда, когда при изотермической обработке в разных тем­ пературных интервалах выделяются фазы, от­ личающиеся кристаллической структурой и составом. Хромовая бронза является исключе­ нием, так как в обоих температурных интерва­ лах изотермической обработки выделяется одна и та же фаза - хром. Поэтому наличие двух минимумов устойчивости твердого рас­ твора на диаграммах изотермического превра­ щения связано в данном случае не с природой избыточной фазы, а с механизмом ее выделе­ ния.

Электронномикроскопические исследо­ вания хромовой бронзы после старения при 800 и 500 °С объясняют различия в кинетике распада твердого раствора [161]: при высоких температурах частицы хромовой фазы выде­ ляются преимущественно по границам зерен и на дислокациях (гетерогенное зарождение), а при низких температурах - по всему объему зерен (гомогенное зарождение). Смена меха­ низма распада и вызывает появление двух ми­ нимумов устойчивости твердого раствора.

Диаграммы изотермического превращения дают ценную информацию о фазовых превра­ щениях в хромовых бронзах. Они позволяют определить продолжительность инкубационного периода до начала распада твердого раствора при различных температурах и являются ори­ ентиром для выбора режимов закалки и темпе­ ратурно-временных параметров старения. Малая устойчивость твердого раствора в области вы­ соких температур является главной причиной того, что при закалке хромовых бронз приме­ няют резкоохлаждающие среды. Обычно их закаливают в воду с температурой 20 °С.

В стандартах имеются две марки двойных хромовых бронз - БрХ и БрХ0,8 (табл. 6.39). Они мало отличаются по химическому составу и имеют близкие значения физических и меха­ нических свойств. Сплав БрХ0,8 используется

впаяно-сварных теплообменниках, конструк­ ция которых состоит из двух оболочек: наруж­ ная изготовлена из высокопрочных коррозион­ но-стойких сталей типа ВНС, внутренняя из сплава БрХ0,8. Для скрепления оболочек из стали и медного сплава применяют высокотем­ пературную пайку при 980 °С медно­ серебряными припоями [90].

Избыточный хром, который сохраняется

вструктуре сплава при нагреве до температур пайки (см. табл. 6.36), резко ухудшает качество пайки, так как он избирательно окисляется и снижает растекаемость припоя. Поэтому верх­ ний предел по содержанию хрома в БрХ0,8 ограничен 0,7 %, против 1 % в бронзе БрХ. Кроме того, в БрХ0,8 для улучшения сваривае­ мости ограничено содержание примеси цинка, который имеет высокую упругость пара и вы­ зывает пористость при аргоно-дуговой сварке.

Еще меньшее количество хрома содер­ жится в сплавах БрХНТ и БрЦрТ. Небольшие

добавки титана и циркония (0,03...0,08 %) по­ вышают температуру рекристаллизации, улуч­ шают свариваемость этих сплавов. Как следует из диаграммы состояния систем Cu-Cr-Ni (рис. 6.44), добавка никеля несколько увеличи­ вает растворимость хрома в твердой меди. По природе упрочнения при термической обра­ ботке эти сплавы близки к двойным хромовым бронзам. Никель, цирконий и титан находятся в твердом растворе, и в структуре отожженных сплавов, как и в двойных хромовых бронзах, помимо первичных кристаллов a-твердого рас­ твора на основе меди присутствуют вторичные выделения избыточного хрома. Он и является,

как и в двойных хромовых бронзах, главной упрочняющей фазой.

Благодаря присутствию небольшого ко­ личества добавок циркония, титана и никеля многокомпонентные бронзы БрХНТ и БрХЦрТ превосходят по технологичности и жаропроч­ ности двойную хромовую бронзу БрХ0,8, а по тепло- и электропроводности не уступают ей.

Термически упрочняемые жаропрочные хромовые бронзы по температуре разупрочне­ ния при нагревах (рис. 6.45) и по прочностным свойствам при высоких температурах сущест­ венно превосходят серебряную и кадмиевую бронзы (см. табл. 6.29).

Несмотря на то, что хромовые бронзы яв­ ляются термически упрочняемыми сплавами, эффект упрочнения от термической обработки не всегда удается в полной мере реализовать в конструкциях. Так, например, конструкции из хромовой бронзы БрХ0,8 применяются в нор­ мализованном состоянии с охлаждением с тем­ пературы 980... 1000 °С на воздухе. Массивные изделия из этого сплава нельзя подвергать за­ калке в воду.

Диаграммы изотермического превраще­ ния для двойных хромовых бронз (см. рис. 6.43) и термокинетические диаграммы фазовых пре­ вращений свидетельствуют о том, что в про­ цессе нормализации происходит частичный распад твердого раствора с выделением хромо­ вой фазы. На это указывают также температур­ ные зависимости удельного электросопротив­ ления хромовой бронзы, полученные после различных вариантов термической обработки (рис. 6.46).

Только в отожженном состоянии у брон­ зы, как и у меди, наблюдается линейная зави­ симость удельного электросопротивления от температуры. После нормализации и закалки в воду с 1000 °С на кривых удельное электросо­ противление - температура испытания имеется перегиб в температурном интервале старения хромовых бронз - 400...550°С, свидетельст­ вующий о распаде пересыщенного твердого раствора. Абсолютный уровень изменения удельного электросопротивления в этом интер­ вале температур указывает на степень пересы­ щения твердого раствора. Из рис. 6.46 видно, что степень пересыщения твердого раствора после закалки с 1000°С в воде выше, чем после нормализации.

Разное структурное состояние проявляет­ ся и в различном уровне прочностных свойств хромовой бронзы при высоких температурах. Минимальные значения прочности хромовая

СПЛАВЫ МЕДНЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ

Рис. 6.44. Медный угол диаграммы состояния системы Cu-Cr-Ni [67|

Рис. 6.46. Зависимость удельного электросопротивления хромовой бронзы БрХ (0,79 % Сг) и меди от температуры испытания [88|: / - закалка с 1000 °С в воде; 2 - нормализация (охлаждение на воздухе) с 1000 °С;

3 - нормализация с 840 °С

бронза имеет в отожженном при 840 °С состоя­ нии2, максимальные - в закаленном состоянии (рис. 6.47). Наибольшие различия в прочност­ ных свойствах между закаленным и нормализо­ ванным состояниями наблюдаются с температу­ ры 400 °С, когда начинается распад пересыщен­ ного хромом твердого раствора. Только при 800 °С, когда распад твердого раствора полно­ стью завершается, прочностные свойства хро­ мовой бронзы в нормализованном и закаленном состоянии становятся одинаковыми.

Охлаждение на воздухе с 840 °С равносильно отжигу, так как пересыщение твердого раствора хро­ мом при такой обработке минимально (см. табл. 6.36).

Рис. 6.45. Влияние температуры отжига в течение 1 ч на предел прочности меди и низколегированных медных сплавов высокой электро- и теплопроводности [88J:

/-С и ; 2 - БрСрО, 1; 3-БрКд1; 4 - БрХЦр; 5 - БрЦр; б - БрХ0,8

Рис. 6.47. Зависимость механических свойств хромовой бронзы БрХ (0,79 % Сг) от температуры испытания после термической обработки

по режимам |88|:

1 - отжиг при 700 °С в течение 2 ч; 2 - закалка с 1000°Св воде; 3 - нормализация (охлаждение

на воздухе) с 1000 °С

Другой важной особенностью двойных хромовых бронз является наличие области пониженной пластичности - «провала пла­ стичности» - в температурном интервале 400...700 °С. Как показывают результаты ме­ ханических испытаний в широком диапазоне температур, главный причиной провала пла­ стичности является распад пересыщенного твердого раствора в процессе высокотемпера­ турных испытаний на растяжение. Максималь­ ную величину провала пластичности хромовая бронза имеет после закалки с 1000 °С в воде, когда достигается наиболее высокая степень пересыщения твердого раствора, в нормализо­

ванном состоянии она меньше, а в отожженном состоянии, когда пересыщения твердого рас­ твора хромом нет, провал пластичности отсут­ ствует (см. рис. 6.47).

В табл. 6.40 - 6.44 даны сведения о физи­ ческих, механических и технологических свой­ ствах двойных хромовых бронз, а также приве­ дены режимы обработки полуфабрикатов из этих сплавов. Физические и механические свойства хромовой бронзы, приведенные в табл. 6.42 и 6.43, в равной степени относятся к сплавах БрХ и БрХ0,8.~В табл. 6.41 и 6.42 свой­ ства сплавов приведены после обработки по оптимальному для каждого сплава режиму.

1

у, кг/м3 р-102, мкОмм 0), МСм/м

X, Вт/(м-К) а-106, КГ1

Е, ГПа

у, кг/м3 р-102, мкОмм со, МСм/м

X, Вт/(м-К) а-106, К-’

Е, ГПа

у, кг/м3 р-102, мкОм м со, МСм/м

Вт/(м К) а-106, К '1

Е, ГПа

Свойства

1

о„ МПа а0>2 , МПа 6,% мл%

АПЛ МДж/м2 HV

Длительная (1ч) твердость HV

6.42. Механические свойства хромовых бронз при разных температурах [52, 53, 54]

Многокомпонентные хромовые бронзы

Из низколегированных медных сплавов высокой электро- и теплопроводности наи­ большее применение в промышленности на­ шли хромовые бронзы, легированные циркони­ ем. Как следует из табл. 6.39, цирконий вво­ дится во многие многокомпонентные хромо­ вые бронзы. По номенклатуре выпускаемых изделий и тоннажу продукции трехкомпонент­ ные сплавы системы Cu-Cr-Zr уступают только двойным хромовым бронзам.

Основной фазового состава и структуры трехкомпонентных сплавов является система Cu-Cr-Zr. В тройной системе в области медно­ го угла тройных промежуточных фаз не обра­ зуется. В равновесии с a-твердым раствором на основе меди находятся фазы двойных систем, прилегающих к медному углу, а именно Сг из двойной системы Cu-Сг и богатая медью медно­ циркониевая фаза из системы Cu-Zr. Состав этой фазы соответствует формуле Cu5Zr [21, 140].

Изотермические разрезы диаграммы со­ стояния Cu-Cr-Zr ниже 960 °С (при 950 и 700 °С приведены на рис. 6.48) характеризуют­ ся четырьмя фазовыми областями: а-твердый раствор на основе меди, две двухфазные облас­ ти а + Сг и а + Cu5Zr и трехфазная область а + Сг + Cu5Zr. В медном углу тройной систе­

мы имеет место четырехфазное эвтектическое равновесие L Д а + Сг + Cu5Zr при температуре 963°С [133].

Как следует из рис. 6.48, растворимость хрома и циркония в меди с повышением тем­ пературы увеличивается. Следовательно, трой­ ные сплавы системы Cu-Cr-Zr, как и двойные Cu-Cr, воспринимают упрочняющую термиче­ скую обработку - закалку и старение.

Кинетика старения легированных хромо­ вых бронз в соответствии с диаграммой со­ стояния Cu-Cr-Zr зависит от концентрации циркония. Введение малых добавок циркония в хромовую бронзу (0,10...0,15 %), не изменяет природы выделяющейся при старении фазы.

Сравнительные исследования двойной (Си - 0,4 % Сг) и тройной (Си - 0,33 % Сг - 0,07 % Zr) бронз после закалки с 960°С и ста­ рения при 500...700 °С показали, что в обоих сплавах выделяются стержневидные частицы хромовой фазы [53]. Оси стержней хромовой фазы ориентированы вдоль направления <110> матрицы. Ориентационное соотношение между частицами хромовой фазы и матрицей в двой­ ном и тройном сплавах одинаково и соответст­ вует соотношению Курдюмова-Закса [53].

Эти данные свидетельствуют о том, что введение в хромовую бронзу 0,07 % Zr не при-