книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии
.pdfРасстояние от поверхности с/штха,нн
Хонцентрстци./ *а/>г<мца,%
Рис. 89. Распределение компонентов в поверх
ностной зоне отливок полунепрерывного литья: а — кремния; б — марганца; в — меди.
верхностном слое практически остается на прежнем уровне. Аналогичная картина наблюдается и в распределении со держания меди. Толщина слоя с неравновесной концентра цией компонентов после гомогенизации сплавов разного со става увеличивается в два раза — от 1,2 до 2,4 мм.
Исследование бронзы с высоким содержанием кремния (3,5%) и марганца (1,5 %). отожженной в интервале темпе ратур 100—700°, показало, что до 350° отжиг мало влия ет на разницу микротвердости между разными слоями, од нако в области 400—500° она р.езко возрастает вследствие сильного смягчения сплава во внутренных зонах и одно временно развивающегося твердения поверхностных слоев.
Рис. 90. Влияние отпуска на микротъердость литой бронзы Бр.КМцЗ-1: 1 — литая в во доохлаждаемую изложницу; 2 — полунепрерывным мето
дом.
При более высоких температурах эта разница несуществен на. Наблюдаемое явление характерно для сплавов, претер певающих превращение. В кремне-марганцевых бронзах в области 400—500° распадается твердый раствор. Этот про цесс в поверхностных и более глубоких слоях слитка, отли чающихся содержанием легирующих элементов, протекает неодинаково, вызывая в разных слоях отливки различное изменение свойств сплава.
В связи с этим интересным представляется рассмотре ние результатов опытов о влиянии условий литья на осо бенности старения кремне-марганцевых бронз [303]. Из ри сунка 90 следует, что способ литья сильно меняет не только исходные свойства сплава, но и те свойства, которые он при обретает позднее, в результате развития превращения при термической обработке. Сплав, отлитый непрерывным мето дом, при комнатной температуре и в интервале отпуска от 100 до 550°, имеет более высокую твердость по сравнению с бронзой, кристаллизовавшейся в водоохлаждаемой излож нице. При нагреве до 250° все образцы резупрочняются, но при более низких температурах сильнее резупрочняется сплав, отлитый в водоохлаждаемую изложницу.
191
После отпуска при 300—450° микротвердость аномально возрастает, в области 400—500° наблюдается два ее значе ния, свидетельствующие о появлении новой фазы со свой ствами, отличными от матричного твердого раствора. При 550° этот эффект в сплаве, отлитом полунепрерывным мето дом, исчезает, а при 600° он уже не обнаруживается и в образцах бронзы из водоохлаждаемой изложницы. Вблизи 600° сплавы разупрочняются, причем сильнее те, которые получены методом полунепрерывного литья.
Высокотемпературный отпуск снова приводит к неболь шому упрочнению. В этом случае также выявляются два мо дальных значения микротвердости. Однако в образцах по лунепрерывного литья это явление наблюдается при более высокой температуре и сохраняется в более широком ин тервале, чем в случае литья в водоохлаждаемую излож ницу.
Эффекты микротвердости, возникшие вследствие старе ния, связаны с определенным изменением микроструктуры. В исходном состоянии сплав содержит кристаллы твердого раствора и крупные редко расположенные включения не равновесной фазы с разной травимостью в центре и по кра ям. При разупрочнении образцов в результате низкотемпе ратурного отпуска микроструктура не изменяется. Однако после отпуска в интервале 400—500°, сопровождающегося резким упрочнением, вблизи неравновесной фазы появля ются области с повышенной травимостью твердого раство ра, кристаллы последнего становятся неоднородными вслед ствие образования неравномерно распределенных высоко дисперсных включений новой фазы. Сплав максимально упрочняется вблизи 450°. Отпуск при 550° приводит к уменьшению микротвердости и ослаблению структурной не однородности с образованием при более высоких темпера турах (700—900°) гомогенных кристаллов твердого рас твора.
Таким образом, распад пересыщенного при кристалли зации твердого раствора в бронзах, отлитых разными мето дами, протекает неодинаково. Между этими данными и из менением свойств по сечению слитка в области температур превращения имеется прямая связь. Действительно, разви тие старения в сплавах одной и той же системы зависит от общей концентрации сплава и степени пересыщенности твердого раствора, определяемой резкостью охлаждения при литье (закалка). Эти факторы меняются при переходе от по верхностных к более глубоко лежащим слоям слитка, вызы вая разницу свойств в области температур старения. От спо соба литья, резкости охлаждения при кристаллизации зави
192
сят степень пересыщенности твердого раствора в литом сплаве и градиент концентраций по сечению в связи с ликвационными явлениями.
Установлено, что изменение концентрации легирующих элементов влияет на скорость и степень упрочнения бронзы Бр.КМцЗ-1 при старении. В работе [303] показано, что образцы с более высоким содержанием кремния и марган ца максимально упрочняются при более низких температу рах (300—350°), чем сплавы среднего состава. На 100° сни жается и температура начала разупрочнения, связанного с завершением распада. Эффекты в изменении микрострук туры в этом случае обнаруживаются также при более низких температурах. Так, области повышенной травимости вокруг неравновесной фазы появляются в этих сплавах уже после отпуска при 350°, они содержат отчетливо наблю даемые мелкодисперсные выделения, которые растворя ются в результате нагрева образцов до 650°. Неравновесная фаза исчезает после отпуска при 350°, и начиная с этой температуры сплав становится однофазным.
Как видно, при увеличении содержания кремния и мар ганца фазовые превращения в кремне-марганцевых брон зах становятся более интенсивными. Следовательно, распад пересыщенного твердого раствора в поверхностном слое слитка, обогащенном этими элементами, протекает полнее и раньше, чем в более глубоко лежащих слоях.
Определение деформируемости по зонам отливки выя вило явное смещение провалов пластичности в сторону вы соких температур при переходе от центра к поверхности слитка. Кроме того, аномальное снижение пластичности у сплава из поверхностной зоны отливок более ярко выража ется в том случае, если слиток по выходе из кристаллизато ра охлаждается вторично. У бронзы, отлитой со скоростью охлаждения еще на полтора-два порядка выше (225 градісек), наряду с общим снижением показателей резко уменьшается пластичность в высокотемпературной области (750—850°) с минимальным относительным сужением при
800°.
Таким образом, устанавливается прямая связь между развитием аномалий пластичности у кремне-марганцевых бронз в области высоких температур и их состоянием, опре деляемым условиями кристаллизации слитков: чем выше неравновесность сплава, тем более ярко и при более высо ких температурах проявляются аномальные эффекты сни жения деформируемости.
Экспериментально установлено [299], что неравновес ность кремне-марганцевой бронзы, полученная при литье,
13-192 |
193 |
обусловлена образованием закаленного твердого раствора и появлением нестабильной фазы. Степень пересыщенности твердого раствора и количество второй фазы зависят от кон центрации сплава и скорости кристаллизации. В связи с этим главной причиной аномального изменения механиче ских свойств бронзы Бр.КМцЗ-1 при высоких температурах является развитие стабилизирующих процессов в момент де формации, в частности распада пересыщенного твердого раствора, на ход которого влияет присутствие неравновесной структурной составляющей.
Особо следует отметить аномальное упрочнение этих сплавов при старении в интервалах температур 300—500 и 700—750°. Микроанализом не установлено разницы между выделяющимися фазами в том и другом случаях. Однако
спомощью специального метода нерастворимого осадка
[299]удалось показать, что эти фазы отличаются по свойствам. При распаде в области высоких температур по является нестабильная фаза, которая не приводит к образо ванию нерастворимого осадка, в другом случае выделяется интерметаллическое соединение МщБіз.
Однако у бронз, содержащих кремний и марганец на верхнем пределе, установленном ГОСТом, отлитых в водо охлаждаемую изложницу и полунепрерывным способом, обнаруживаются провалы пластичности в области 750— 800°, которые уже нельзя объяснить обычным старением
этих сплавов, связанным с распадом перенасыщенного твер дого раствора. Природа превращения, вызывающего эту аномалию, пока точно не установлена, хотя можно предпо ложить, что она скорее всего связана с изменением состоя ния самой меди.
Нами уже отмечалось, что аномальное снижение плас тичности усиливается с увеличением содержания легирую щих элементов и повышением степени неравновесности сплавов. Эту зависимость необходимо учитывать при оцен ке технологических свойств бронзы Бр. КМцЗ-1. При опре деленном значении легированности и изменении состояния деформируемость сплава может резко ухудшиться. Такое яв ление наблюдалось в работе [299] при прокатке шаброван ных и нешаброванных слитков бронзы, полученной мето дом наполнительного литья.
Как уже было показано, в поверхностных слоях отливок концентрация кремния и марганца существенно возрастает за счет обратной ликвации. Обогащение поверхностных сло ев этими элементами сохраняется в той же степени и после термической обработки при 850°. Вместе с тем сплав в по верхностном слое является неравновесным, склонным к ин
194
тенсивному старению, поскольку скорость охлаждения его при литье на порядок выше, чем для центральных областей отливки. При горячей прокатке на нешаброванной поверх ности слитка, где содержится повышенная концентрация кремния и марганца, появляются трещины глубиной до 3 мм, что свидетельствует о низкой пластичности металла в поверхностной зоне. Для повышения технологичности сплава при горячей обработке концентрацию кремния и марганца следует выдерживать на нижнем пределе, установленном ГОСТом 1875-72, а также производить шабровку слитков со стороны широких граней на глубину не менее 2 лідг. Эта ре комендация позволяет заметно улучшить качество лент из бронзы Бр.КМцЗ-1.
До сих пор мы не останавливались на макродефектах в отливках, поскольку этот вопрос имеет самостоятельное зна чение. Однако учитывая, что способ литья и скорость ох лаждения при кристаллизации попутно создают и меняют условия формирования макроструктуры слитка, рассмот рим эту зависимость. При кристаллизации слитка его цент ральная, сравнительно узкая зона продолжительное время остается в жидком состоянии. Кристаллизуясь в послед нюю очередь, она служит резервуаром питания для других, ранее затвердевающих слоев, а также местом скопления га зовых и легкоплавких примесей. Хорошо известно, что ос новной причиной пузырей в лентах бронзы Бр.КМцЗ-1 яв ляются усадочные пустоты и газовая пористость слитка.
Анализ статистических данных [299] показывает, что при понижении температуры литья количество дефектов в слитках уменьшается. Аналогичное влияние оказывает и увеличение времени заполнения формы. Однако заливка кремне-марганцевых бронз при температуре ниже 1100° при водит к образованию поверхностных дефектов — неслитин, а при медленном заполнении формы литье становится не возможным вследствие заваривания отверстий воронки.
Зависимость между содержанием газов (кислород и во дород) в расплаве и температурой описывается кривой с максимумом (рис. 91). Наибольшая газонасыщенность жидкого металла наблюдается при 1150°, а наименьшая — при 1100 и 1200°. Однако, как показывают опыты [299], концентрация газов в слитках, отлитых при 1200°, заметно выше, чем в пробах, взятых из ванны печи, вероятно, в свя зи с дополнительным газонасыщением металла во время его разливки. В центральных областях отливки газов содер жится значительно больше, чем в поверхностной зоне. По лучение плотного металла по всему сечению слитка дости гается при использовании метода полунепрерывного литья.
195
Итак, данные по исследованию бронз Бр.КМцЗ-1, отли тых разными методами, показывают важную роль предыс тории сплавов в аномальном изменении свойств в связи с протеканием превращений в твердом состоянии.
Влияние малых добавок на свойства кремне-марганце- вых бронз. Для повышения технологических свойств крем- не-марганцевых бронз многие исследователи [299, 302, 306]
Температуре/ рясплаба, "С
Рис. 91. Содержание кислорода и водорода в бронзе Вр.КМцЗ-1: 1 — водород; 2 — кислород.
чая действие присадок лития, циркония, титана и бора на структуру литой кремне-марганцевой бронзы, Д. И. Лайнер и И. М. Никольская [306] пришли к заключению, что наи более эффективными модификаторами являются цирконий и литий. При введении в расплав сотых долей циркония зер но в отливке измельчается более чем в 30 раз. Титан так же измельчает зерно, но в меньшей степени. Предваритель ное раскисление расплава фосфором усиливает эффект мо дифицирования указанными элементами. Присадка лития приводит к образованию горячих трещин на слитках брон зы Бр.КМцЗ-1, в связи с чем ее не рекомендуют к исполь зованию.
Данные о влиянии малых добавок на пластические и технологические свойства этого сплава при высоких темпе ратурах получены в работе [299]. В этом исследовании ма лые дозы титана (0,025, 0,05 и 0,7%) и ферроцерия (0,025, 0,05 и 0,1%) вводили в бронзу, отливаемую полунепрерыв ным способом с охлаждением слитков водой вне кристалли затора.
Для сравнения исследовался сплав без присадок титана и ферроцерия. Образцы для определения пластичности вы-
196
резались из поверхностной зоны слитка. У обычной бронзы без добавок обнаруживается глубокий провал пластичности при 700° с понижением относительного сужения от 0,87 до 0,65 (рис. 92, а). Присадка 0,025% титана уменьшает разви тие этой аномалии: минимальное сужение в зоне провала возрастает до 0,77. Увеличение концентрации титана до 0,05% вообще устраняет провал пластичности и приводит к
Рис. 92. Влияние малых добавок титана (а) и ферроцерия (б) на плас тичность бронзы Вр.КМцЗ-1: 1—без добавок; 2 — 0,025%; 3 — 0,05%; 4— 0,1% добавки.
монотонному возрастанию деформируемости с температу рой. Кремне-марганцевая бронза с 0,1% титана также высо копластична в области 700—900°, но при 600° значение ее свойств ниже, чем у сплава без добавок и в образцах с мень шим содержанием этого элемента.
Присадка ферроцерия действует несколько иначе. При его введении в количестве 0,025% провал пластичности сме щается от 700 к 750° (рис. 92, б). Увеличение концентрации ферроцерия до 0,05% существенно повышает деформируе мость кремне-марганцевой бронзы, особенно при 700°, т. е. в области развития провала у сплава без добавок. Относи тельно небольшое понижение пластичности в этом случае выявляется, как и в сплаве с меньшим количеством этой присадки, при 750°. Бронза с 0,1% ферроцерия имеет высо кое относительное сужение при всех температурах.
Наиболее благоприятное действие на пластичность ока зывают комплексные добавки этих элементов. Совместное введение ферроцерия и титана полностью устраняет прова лы пластичности и обеспечивает высокую деформируемость кремне-марганцевой бронзы в широком интервале темпера тур (600—900°).
197
Особенности технологии производства плоского прока та из бронзы Бр.КМцЗ-1. Многолетний опыт работы по про изводству кремне-марганцевой бронзы, обобщенный А. А. Александровым [299], показал, что технология на полнительного литья в водоохлаждаемую изложницу не обеспечивает получения плотных слитков. Значительное их число имеет внутренние дефекты в виде усадочной рыхло ты и трещин. В связи с этим большое количество продук ции бракуется по пузырям и расслою, которые обнаружи ваются на лентах толщиной 2,5 мм, служащих заготовкой для тонкого проката. В результате исследовательской рабо ты были внесены некоторые изменения в технологию литья : понижена температура заливки с ИЗО—1170 до 1100—1130° и уменьшено сечение отверстий в воронке с 18—20 до 16— 18 мм. Отливка бронзы по измененной технологии несколь ко снизила количество брака по пузырям на заготовке, но не устранила его полностью.
Изучение свойств в процессе деформации и отжига спла ва, контроль режима технологии обработки привели к за ключению, что количество брака по пузырям зависит так же от температуры отжига и отклонение ее от установлен ного предела вызывает значительное увеличение бракованной продукции в отдельных партиях. Статистиче ский анализ показал, что наибольшее скопление пузырей обнаруживается на расстоянии 70-—100 мм от кромки по лос, т. е. в тех же местах, где сосредоточена усадочная рых лота и трещины в слитках. При горячей прокатке слитков дефекты усадочного характера не завариваются. В процессе отжига в них проникают газовые примеси, растворенные в металле, и таким путем образуются пузыри. Следовательно, для их устранения на заготовках нужны прежде всего плот ные, бездефектные слитки.
Получение таких слитков обеспечивается методами по лунепрерывного и непрерывного литья. В литературе [235] приводятся данные по полунепрерывному литью цилиндри ческих отливок диаметром 160 и 240 мм из кремне-марган цевой бронзы. Жидкий металл в этом случае подается в кристаллизатор через графитовый тигель, в донной части которого имеется отверстие диаметром 5 ±0,5 или 4,5 ±0,5 мм соответственно для слитков 160 и 240 мм. Поверхность расплава во время литья покрывают слоем прокаленного древесного угля, температуру металла выдерживают в пре делах 1240—1280°. Скорость вытягивания отливки диамет
ром |
160 мм составляет |
3,0—3,5 |
м/час, а диаметром |
240 |
мм — 2,2 — 2,5 мічас. |
Вторичное охлаждение слитков |
водой производится на расстоянии 700—800 мм от нижне го края кристаллизатора.
198
Для ' полунепрерывного литья плоских слитков сечением 130X300 мм применяется несколько другая схема. В этом случае подача расплава в кристаллизатор осуществляется непосредственно из печи через графитовую воронку с двумя отверстиями диаметром 16 мм. Открытая поверхность жид кого металла в кристаллизаторе покрывается слоем прока ленной сажи, часть которой в процессе литья затягивается на стенки кристаллизатора и выполняет роль смазки. Ско рость вытягивания отливки при этом методе не превышает 5 мічас. Воды расходуется на охлаждение около 300— 400 лімии. Отливки охлаждаются сразу же по выходе их из кристаллизатора.
Следует сказать, что слитки бронзы Бр.КМцЗ-1, полу ченные методом полунепрерывного литья с соблюдением всех рекомендуемых параметров, отличаются высокой плот ностью, не имеют трещин и каких-либо поверхностных де фектов, однако и они часто растрескивались при горячей прокатке в интервале температур 790—830°. Как было ука зано выше, для этого сплава характерно образование прова лов пластичности при 250—500 и 750—800°. Уменьшение деформируемости в области провалов заметно усиливается при увеличении концентрации кремния и марганца и повы шении степени неравновесности сплава, которая наблюдает ся в условиях высокой скорости охлаждения. Опыты [305] показали, что толщина слоя, обладающего особыми свойст вами, не превышает 1 мм и может быть удалена шабровкой. Качество полос, полученных из шаброванных слитков полу непрерывного литья, заметно выше, чем из нешаброванных отливок.
Для повышения технологических свойств кремне-мар- ганцевой бронзы рекомендуется модифицирование этого сплава малыми добавками титана, ферроцерия, а также со четанием этих элементов в различных количествах. В рабо те А. А. Александрова [299] показано, что присадка тита на в количестве 0,04—0,05% позволяет устранить провал пластичности вблизи 700° и заметно уменьшить растрески вание слитков при горячей прокатке. Полосы, полученные из шаброванных и нешаброванных слитков, содержащих титан, после фрезеровки не имеют поверхностных трещин. Это говорит о том, что трещины, появляющиеся в таких за готовках при горячей прокатке, распространяются на мень шую глубину, и, следовательно, слой поверхности с небла гоприятными свойствами в этом случае более тонок. Наи более положительное действие оказывает комплексная добавка, содержащая 0,025% ферроцерия и 0,05% титана. Кроме того, указанные элементы способствуют получению
199