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

ходной. Таким образом, при отжиге до 600° в течение часа зерна измельчаются, но со временем заметно не изменяются. Их укрупнение начинается при температуре 600° и выше. Микротвердость сплава в условиях изотермического отжига снижается, но после 4 ч неожиданно возрастает на 20 кг/мм2, затем снова постепенно уменьшается. Эти данные говорят о том, что в процессе отжига деформированных бронз кро­ ме рекристаллизации протекают превращения, приводящие

Рис. 53. Пластичность деформированной бронзы Бр.ОФ7-0,4 со степенью деформации, %: 1 — 5; 2 —10; 3 — 30; 4 — 56.

к фазовому наклепу, скорее всего они так же, как и в би­ нарных и в тройных бронзах медь — олово — цинк, связаны с развитием распада a-твердого раствора. Это явление необ­ ходимо учитывать при назначении режимов термической обработки данных сплавов. Диаграмма рекристаллизации оловянно-фосфористых бронз марки Бр.ОФ8-0,3 приводится на рисунке 51.

Сравнение между собой свойств промышленных бронз разного состава (рис. 52) показывает, что при возрастании содержания фосфора от 0,4 до 0,5% в образцах с 6% олова пластичность сильно уменьшается практически при всех температурах. При более высокой концентрации олова уве­ личение количества фосфора не вызывает такого эффекта.

Производство полуфабрикатов из фосфористых бронз связано с многократными операциями отжига и деформа­ ции. Для установления влияния холодной пластической де­

120

формации на механические свойства сплавов при разных температурах авторы [224] прокатывали литые заготовки бронзы Бр.ОФ7-0,4 на разные толщины, затем отжигали 5,5 ч при 540—600° и деформировали при комнатной тем­ пературе на 2, 5, 10, 30 и 56%. Механические свойства оп­ ределяли при растяжении со скоростью 4 ммімин образ­ цов, вырезанных из полосы поперек направления прокат­ ки. Микроструктура сплава практически не меняется с на­ клепом до степени 10%, затем границы зерен постепенно размываются и появляются линии скольжения. Деформа­ ция со степенью 56% приводит к дроблению зерен, резко увеличивает число линий скольжения. Структурные изме­ нения сопровождаются упрочнением.

Увеличение степени наклепа закономерно снижает су­ жение (рис. 53) в области 20—300°, но при более высоких температурах предварительный наклеп оказывает противо­ положное влияние; пластичность становится тем выше, чем больше степень деформации. Этот эффект особенно сильно проявляется при температуре 400—500°. У сплава, деформи­ рованного перед растяжением на 10, 30 и 56%, за провалом пластичности возникает зона относительно высокой дефор­ мируемости, в которой образцы, наклепанные на 56%, ста­ новятся пластичнее, чем при 20°. Максимум сужения и уд­ линения с повышением степени наклепа от 10 до 56% сме­ щается от 600 к 450°.

Предварительная деформация, таким образом, вызыва­ ет резкое увеличение пластичности, что указывает на раз­ витие в оловянно-фосфористых бронзах в момент растяже­ ния достаточно интенсивного диффузионного процесса. С увеличением степени наклепа температура, при которой возможен этот процесс, снижается. Аналогичное действие оказывает предварительная деформация на свойства оло­ вянно-цинковых бронз, однако повышение пластичности под влиянием наклепа у этих бронз при одинаковой дефор­ мации (30%) почти в два раза меньше.

Влияние предварительной деформации на пластичность оловянно-фосфористых бронз, как было показано выше, ме­ няется с температурой, и в этом отношении они не отлича­ ются от других сплавов. На рисунке 54 ясно просматрива­ ются три области, в каждой из которых свойства изменя­ ются по-разному. В первой области — от 20 до 250° — уд­ линение уменьшается с разной интенсивностью до и после 30 % : вначале быстро, а затем медленно. При 300° пластич­ ность под действием деформации, не превышающей 30%, снижается, а затем начинает постепенно увеличиваться. Та­ ким образом, во второй области 300—550° влияние деформа-

121

ции становится сложным: чем выше температура, тем при меньших степенях наклепа прекращается падение пластич­ ности и начинается ее увеличение. При 300° этот перелом

Степень âepqpwryui/// пенью обжатия выше 30%.

Судя по резкому снижению

Рис. 54. Влияние предварительной пластичности в области

Изменение прочности коррелируется с результатами оп­ ределения пластичности. До 300° она возрастает с накле­ пом с разной интенсивностью в интервале малых и больших, деформаций. Затем меняется сложно и в зависимости от степени обжатия увеличивается или снижается. При 450— 500° падает с наклепом и начиная с 550°, как и пластич­ ность, отражает сложную картину накопления и снятия дефектов в результате развития конкурирующих процессов: разупрочнения под влиянием температуры вследствие уве­ личивающейся подвижности атомов и упрочнения, обуслов­ ленного фазовым наклепом при развитии превращения, вы­ званного деформацией.

По аналогии с бинарными сплавами и тройными про­ мышленными бронзами Бр.ОЦ4-3, результаты исследова­ ния которых описаны выше, нам представляется, что пре­ вращения и в этом случае связаны с распадом а-твердого раствора, протекающего, возможно, также по двухфазному механизму.

122

Оловянно-свинцовистые бронзы. С оловом свинец обра­ зует эвтектику при содержании его 61,9% [171]. Раствори­ мость олова в свинце при эвтектической температуре (183°) равна 19,5%. Она падает до 9,8% вблизи 100° и составляет около 3,6% при комнатной температуре. В свою очередь, свинец в олове растворим в количестве приблизительно 2,6 % при эвтектической температуре. При комнатной темпе­ ратуре его растворимость незначительная.

Считается общепризнанным, что свинец практически нерастворим в оловянистых бронзах в твердом состоянии. При кристаллизации этих сплавов он выделяется как само­ стоятельная фаза, располагающаяся в виде темных включе­ ний между дендритами. Механические свойства оловяни­ стых бронз, содержащих свинец, понижаются [1, 167], но обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства улучшаются.

Присадка свинца увеличивает склонность бронз к рас­ слоению в жидком состоянии, поэтому рекомендуется их тщательно перемешивать перед разливкой. Вместе с тем при относительно невысоком содержании в сплаве он способст­

всегда локализуется с вкраплениями б-фазы (в эвтектоиде а + б). Он же предупреждал о невозможности руководство­ ваться данными металлографического анализа для оценки количества этого элемента в исследуемых сплавах.

По вопросу о влиянии свинца на механические свойст­ ва оловянистых бронз существует много разногласий. Мил­ тон [225], изучая так называемый «адмиралтейский пушеч­ ный металл», Бр.ОІО (90% меди, 10% олова), указывал на понижение прочности и пластичности сплава в присутствии свинца. Однако Дюране [226] высказался против этого мне­ ния. Он установил, что добавление до 0,5% свинца не толь­ ко не снижает, но даже улучшает механические свойства бронз. В частности, прочность «пушечной бронзы» стабиль­ на до 290°, тогда как прочность и пластичность того же ме­ талла без свинца в этих условиях резко понижаются. Ана­ логичные результаты были затем получены Рольфом [227]. Исследуя в литом состоянии бронзу с 10% олова и различ­ ным содержанием свинца (от 0,17 до 2%) при отливке образ­ цов в песок и в металлические формы, он наблюдал некото­ рое увеличение пластичности бронз со свинцом (по крайней мере, при его содержании в сплавах до 1%).

Поскольку высказывалось мнение, что присадка свинца должна вредно отражаться на работе материала в условиях ударной нагрузки, Рольф определял пластичность сплава

123

Бр.ОІО, содержащего от 0,21 до 1,4% свинца, по числу уда­ ров груза, падающего с различной высоты на образец с надрезом. Опыты показали, что бронза, содержащая свинец, в количестве до 1,4%, имеет более высокие показатели, чем без свинца. При большей его концентрации механические свойства оловянистых бронз понижаются, падает и сопро­ тивление ударной нагрузке, как это найдено при изучении сплава Бр.07,5 (7,5% Sn) американским бюро стандартов [228]. В этих исследованиях обращает на себя внимание резкое влияние на свойства оловянистых бронз условий от­ ливки. Для одних и тех же сплавов, но при разных условиях кристаллизации образцов получено изменение пластичности в 2—3 раза, причем образцы двойных сплавов Бр.ОІО, от­ литые в кокиль, имели удлинение в три раза меньше, чем образцы, отлитые в песок. При содержании в сплавах 1% свинца эта разница была заметно меньше (табл. 4). Р. Дыос [201], комментируя работу Рольфа, указывал, что ее ре­

видно, что пластичность сплавов со свинцом изменяется со скоростью кристаллизации меньше, чем без свинца, т. е. влияние скорости кристаллизации на свойства сплавов сильнее проявляется в двойных оловянистых бронзах.

Вопрос о взаимодействии свинца с твердым раствором в оловянистых бронзах обычно рассматривается упрощенно. Считается, что свинец из-за низкой температуры плавления и расположения в матрице сплава в виде независимых включений нарушает связь между кристаллами и вследст­

124

вие этого понижает механические свойства бронз. Исходя из этого содержание свинца как примеси в оловянистых бронзах, обрабатываемых давлением, даже в холодном со­ стоянии допускается не более 0,02% [1]. Специально сви­ нец вводится (2—17%) только в литейные бронзы типа Бр.ОЦС4-4-2,5 [74]. В зарубежной практике [229] существу­ ют фирменные оловянно-цинковые бронзы, а также специ­ альные латуни, в которых свинец присутствует в малых ко­ личествах и является вместе с тем обязательным компонен­ том. Например, такие сплавы, выпускавшиеся фирмой «Ланге», как специальная оловянистая бронза состава 96% меди, 4% олова, 0,1 % фосфора и 0,1% свинца и «золотой томпак» — 82,5% меди, 3% олова, 14% цинка, 0,3% свинца.

Для уточнения роли и влияния свинца на свойства оло­ вянистых бронз, где он присутствует в качестве компонен­ та, были изучены сплавы меди с разным содержанием оло­ ва и цинка, в которые специально вводили свинец в количе­ стве 1 и 4%. Отливка их производилась в металлические формы, обеспечивающие достаточно высокие скорости кри­ сталлизации и охлаждения в твердом состоянии. При этом достигалась закалка бронз, при которой фиксировалось оп­ ределенное пересыщенное состояние твердого раствора оло­ ва и других компонентов в меди [193]. Установлено, что упрочняющее действие свинца достаточно четко проявляет­ ся в литых сплавах. При повышении содержания этого эле­ мента от 1 до 4% в бронзах с 2,5% олова увеличение ми­ кротвердости относительно невелико (около 4 кг/мм2), но в богатой оловом бронзе (7 % ) оно уже весьма значительно — 46 кг/жи2.

Деформация и отжиг оловянно-свинцовистых сплавов, переводящие их в состояние, близкое к равновесному, значи­

ные позволяют утверждать вопреки установившемуся мне­ нию, что свинец при определенных условиях, видимо, не только растворяется в оловянистых бронзах, но и активно влияет на распад пересыщенного твердого раствора при де­ формации и отжиге, способствуя его ускорению. Факт уп­ рочнения оловянистых бронз под влиянием свинца в литом состоянии и резкое разупрочнение их после деформации и отжига являются весьма важным доводом для обоснования взгляда на активную роль этого элемента в медных спла­ вах.

125

Аналогичное влияние свинца обнаруживается в резуль­ тате исследования сплавов, относящихся к лучевому по­ литермическому разрезу Sn : Zn=l, при содержаниях свин­ ца 1 и 4% (рис. 55). Согласно этим данным, он также в опре­ деленных количествах входит в твердый раствор в процессе

сравнению с тройной бронзой. Распад тройного медь — оло­ во — свинец и четверного медь — олово — цинк — свинец твердых растворов при деформации и термической обработ­ ке подтверждается металлографически: на шлифах появ­ ляются многочисленные темные включения.

Явное несоответствие в ряде случаев между количест­ вом свинца в литых сплавах, рассчитанным планометриче­ ски по микрофотографиям, и фактическим содержанием его

всплаве наблюдалось исследователями и раньше [201].. При этом отмечалась возможность ошибки вследствие по­ ристости образцов, характерной для оловянистых бронз. Однако этим высказываниям не придавалось существенно­ го значения, и представление об индифферентности свинца

всплавах считалось бесспорным [1].

Сравнение результатов исследования пластичности оло­ вянистых бронз, содержащих свинец, и без свинца [193] показывает, что и в литом, и в равновесном состояниях он ухудшает деформируемость. Введение его в сплавы медь — олово — цинк до 4% и более так же, как и в тройной систе­ ме, уменьшает пластичность при всех температурах начи­

126

ная с комнатной, т. е. задолго до его расплавления. Эти данные также указывают на растворимость свинца в двой­ ном медь — олово и тройном медь — олово — цинк твер­ дых растворах.

На рисунке 56 представлены результаты изменения прочности двойных оловянистых бронз при добавлении 1 и

олова; б — 7,0% олова; 1 — 0,0; 2—1,0; 3 — 4,0% РЬ.

4% свинца. Как видно, все образцы в этом случае заметно разупрочняются, причем разупрочнение литых сплавов со свинцом наблюдается только выше 200°, когда под влияни­ ем температуры становится возможным процесс распада твердого раствора. При переходе от литого состояния к рав­ новесному прочность при всех температурах возрастает, с увеличением содержания свинца эта разница уменьшается.

127

Многое из сказанного выше о сплавах медь — олово — свинец справедливо и для сплавов медь — олово — цинк при введении в них свинца. Под его влиянием здесь также наблюдается разупрочнение в области высоких температур, хотя начало этого процесса смещено к более высоким тем­ пературам (от 200 к 300°) и он менее резко выражен. В низ­ котемпературной области, наоборот, при добавлении свин­ ца (1%) прочность несколько повышается.

В равновесном состоянии все четверные сплавы со свин­ цом, так же как и тройные медь — олово — цинк, прочнее литых, причем до 300° прочность свинцовистых бронз не­ сколько выше. Все это свидетельствует об активном влия­ нии свинца на процессы распада твердых растворов медь — олово и медь — олово — цинк.

Особенности старения сплавов, содержащих свинец, бы­ ли установлены при специальном исследовании [193] оло­ вянно-цинковой бронзы Бр.ОЦ4-3 и оловянно-цинково-свин­ цовистой бронзы Бр.ОЦС4-4-2,5. С целью получения макси­ мальной неравновесности они закаливались из жидкого со­ стояния. Такое состояние сплава характерно для поверхно­ стных слоев тонкого слитка при литье с высокими скоро­ стями кристаллизации и интенсивном охлаждении после затвердевания. Исследуя высокометастабильные сплавы, можно ожидать более яркого проявления распада твердых растворов и полнее изучить влияние закалки на их свой­ ства.

Поскольку метод закалки из жидкого состояния явля­ ется не совсем обычным методом получения сплавов, опи­ шем его более подробно. Сначала в лабораторной печи гото­ вили сплавы требуемого состава, затем их вновь расплавля­ ли в графитовом тигле под покровом древесного угля. После достижения необходимой температуры с перегревом от­ дельные порции металла быстро выливали на предваритель­ но охлажденную массивную полированную медную плиту в свободно установленные на ней стальные кольца, ограни­ чивающие растекание металла по поверхности.

Вес каждой пробы составлял около 20 г. Нижняя по­ верхность образца, находившаяся в контакте с медной пли­ той, не требовала для микроанализа дополнительной полиіровки. Поверхность шлифа лишь слегка протирали сукном с пастой ГОИ и травили обычным способом. После выполне­ ния комплекса исследований в закаленном состоянии его подвергали отпуску, затем слабо полировали. Таким обра­ зом, каждый образец ступенчато обрабатывался при после­ довательно повышающихся температурах отпуска. Старе­ ние изучалось измерением микротвердости и рентгенострук-

128