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

Повышение температуры отжига всего на 50° резко влияет на свойства сплава при последующем нагреве: об­ разцы, предварительно отожженные при 300°, сильно твер­ деют вблизи 100°; сплав становится тверже, чем в накле­ панном состоянии. После отжига при 250° твердения при последующем нагреве практически не наблюдается, в ин­ тервале 50—100° микротвердость остается постоянной и при дальнейшем повышении температуры монотонно сни­ жается. Изменение микротвердости при нагреве образцов зависит от продолжительности предварительного отжига при 250°. Так, при часовой выдержке микротвердость изме­ няется по сложной кривой, имеющей два максимума: при 50 и около 200°. С увеличением времени отжига упрочнение сплава при следующем отпуске уменьшается, и, наконец, при 4-часовом отжиге эффект твердения образцов устраня­ ется полностью.

Приведенные данные имеют практическое значение. Они могут быть использованы при разработке режимов стабили­ зирующего отжига свинцовистых а-латуней. Однако, как показывают опыты, отжиг деформированных образцов при 250°, стабилизируя сплав, мало снижает наклеп от холод­ ной деформации, так как эта температура недостаточна для развития рекристаллизации. Чтобы найти режим отжи­ га, в котором бы достаточно удачно сочетались результаты рекристаллизации и низкотемпературного упорядочения, были изучены свойства свинцовистых латуней после сле­ дующих режимов комбинированной термической обработ­ ки: а) нагрев до 550°, выдержка 4 ч, охлаждение с печью до 250°, отжиг при этой температуре 4 ч и охлаждение с печью до комнатной температуры; б) выдержка при 700° составляет разное время и дальнейшее охлаждение, как и в первом случае, с остановкой при 250°.

Установлено, что, несмотря на значительное разупрочне­ ние образцов в результате отжига по первому варианту, по­ следующий отпуск их вызывает резко выраженный эффект твердения вблизи 50°. При дальнейшем повышении темпе­ ратуры микротвердость продолжает увеличиваться, хотя уже не так интенсивно. Отжиг по второму варианту не при­ водит к упрочнению при дальнейшем нагреве в том случае, если выдержка при 700° составляет не менее 1 ч. При мень­ шем времени отжига вновь обнаруживается эффект тверде­ ния при 50° и особенно при 150°.

Таким образом, переход твердого раствора к упорядочен­ ному состоянию в процессе отжига при 250° протекает наи­ более интенсивно непосредственно после деформации или закалки с 700°. При понижении температуры закалки до

70

500° за то же время отжига не удается стабилизировать сплав, т. е. процесс упорядочения в этом случае протекает

более вяло.

Заметное изменение свойств свинцовистых а-латуней вызывает комплексное микролегирование. Малые добавки не оказывают большого влияния на деформируемость спла­ ва ЛС74-3 при высоких температурах, но эффективно дейст­ вуют на свойства свинцовистой a-фазы в области темпера­ тур 100—300° (рис. 30), т. е. именно в интервале развития

Рис. 30. Влияние ферроцерия на пластичность латуни ЛС74-3: 1—без добавки; 2—0,3% ферроцерия; 3 — 0,45% ферроцерия.

упорядочения твердого раствора. Под их влиянием до неко­ торой степени восстанавливаются свойства а-латуней, изме­ нившиеся в присутствии свинца. Можно предположить, что действие малых добавок сводится к двум механизмам: 1) ча­ стичному связыванию свинца элементами, входящими в их состав, как это наблюдалось у чистой меди; 2) изменению кинетики старения латуней в связи с упорядочением и рас­ падом неравновесного твердого раствора со свинцом. Из­ мельчения зерна при этом не наблюдается.

Группа латуней ЛС64-2 (матричные латуни) пред­ ставляет собой предельно насыщенные a-твердые растворы или слабогетерогенные (а+Р)-сплавы. Присутствие свинца (1—2%) в бинарных латунях делает невозможной их обра­ ботку в горячем состоянии. Существующая в настоящее вре-

71

мя технология получения полос матричных латуней не обес­ печивает достаточно высокого качества полуфабриката и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к самим ма­ трицам.

Из иностранной литературы известно [179], что высо­ кая эксплуатационная стойкость матриц достигается горя­ чей прокаткой сплава, отлитого методом полунепрерывного литья и легированного многими добавками, в числе которых при химическом анализе матриц найдены олово, алюминий, кремний и другие элементы. Действие этих элементов на технологические свойства сплава ЛС64-2, возможность об­ работки его в горячем состоянии и особенности процесса ста­ рения в нем изучались в работах [180—182].

В изменении пластичности с температурой для матрич­ ных латуней разного состава наблюдается общая закономер­ ность: резкое снижение относительного сужения начиная с 300—250° до 0,1 при 350—500° и тенденция к увеличению показателей при высоких температурах (700—800°). Добав­ ки по-разному влияют на степень изменения пластичности в этих интервалах. Для всех латуней характерны неглубо­ кие провалы пластичности при 100°, связанные с развитием процесса старения. При введении олова (0,4%) или ком­ плексной добавки, содержащей кремний (0,3%) и кальций (0,05%), этот эффект не обнаруживается.

Добавка олова в количестве 0,5% в сплав, содержащий 63,4% меди, значительно повышает его пластичность в ин­ тервале температур 100—400° (рис. 31). Наибольшее увели­ чение относительного сужения отмечается при 200°. При введении такого же количества олова в сплав с 66,5% меди пластичность латуни повышается еще больше. Следователь­ но, эффективность влияния олова зависит от содержания цинка. Из данных об изменении пластичности сплавов под влиянием одинарной присадки олова следует, что она не улучшает холодную обработку латуней, и в горячем состоя­ нии эти сплавы обрабатывать невозможно.

Комплексная добавка из четырех элементов присажива­ лась к латуни с 66,7% меди и 1% свинца. Введение в этот сплав 0,4% железа, 0,25% олова и по 0,7% никеля и марган­ ца улучшает его деформируемость в интервале температур 20—350° и незначительно повышает пластичность при 550—750°. Действие комплексной добавки, как и одного оло­ ва, проявляется в том же интервале температур, однако при 700° ее влияние оказывается более благоприятным.

У простых матричных латуней и у сплавов с одинарны­ ми добавками провал пластичности обнаруживается при 350—500°. При совместном введении кальция (0,05%) и

72

кремния (0,5%) он смещается в сторону более высоких тем­ ператур (500—700°) и минимальное сужение образцов воз­ растает до 0,15%. Присадка титана (0,1%) сильно уменьша­ ет развитие провала. Максимальная пластичность при высо­ ких температурах обнаруживается в результате добавления 0,1 % титана и 0,01 % железа. При этом у латуни наблюдает­ ся два максимума пластичности: при 600° (і|) = 0,55) и 700° (ф=0,9).

Рис. 31. Влияние олова и кремния на пластичность матричных латуней: 1 — 63,7% меди+0,9% свинца; 2—63,4% меди+1,0% свинца+0,5% олова; 3 — 63,5% меди+1,0% овинца+0,3% кремния.

Таким образом, матричную латунь с присадкой титана и железа, казалось бы, можно обрабатывать вторячую. Од­ нако зона повышенной пластичности в данном случае раз­ бивается на две узкие области : первая — в интервале тем­ ператур 525—600° и вторая — от 675 до 750°. В связи с этим температурный интервал высокой пластичности очень узок (75°) и малейшие отклонения от него приводят к рез­ кому падению деформируемости. При попытке прокатать слитки сплава с титаном вгорячую часть из них деформи­ ровалась хорошо, а другая сильно растрескивалась.

При замене олова кремнием в количестве 0,3% в сплаве, содержащем 63,5% меди и 1% свинца, пластичность значи­ тельно повышается при комнатной температуре, а также во всем интервале от 20 до 400°. Положительное влияние крем­ ния на пластичность матричных латуней обнаруживается и при более высоких температурах — 500—600° [182]. Крем­ ний в этом случае выступает как элемент, имеющий высо­

73

кий коэффициент эквивалентности по цинку (10—12), рез­ ко сдвигающий границу растворимости цинка в a-фазе в сторону меди. Его роль определенным образом проявляется также и в изменении скорости диффузии при кристаллиза­ ции сплава и его охлаждении. Именно в присутствии крем­ ния в литом сплаве удается получить большое количество избыточной ß-фазы, распад которой при деформации в об­ ласти высоких температур приводит к повышению пластич­ ности. Поддержание меди на нижнем пределе, установлен­ ном стандартом [79], присадка 0,3% кремния и высокая скорость охлаждения при кристаллизации позволили полу­ чить сплав, который можно прокатать вгорячую [182].

Горячая прокатка латуни ЛС63-1 с добавкой кремния оказалась практически возможной в довольно широком диа­ пазоне температур. При этом лучшие результаты получа­ ются при более высокой температуре деформации (770— 800°). Однако и в этом случае прокатка идет хорошо только до 18 мм (с 70 мм) при суммарном обжатии 75%, что, ве­ роятно, связано с захолаживанием металла на последних проходах до верхней границы провала пластичности, а так­ же с завершением фазового перехода ct^a + ß, стимулиро­ ванного деформацией. Осуществить горячую прокатку кон­ трольных слитков без кремния и с содержанием кремния до 0,15% не удалось: они растрескались на первых прохо­ дах.

Дальнейшие исследования показали, что эффективность действия олова, кремния и комплексной добавки в матрич­ ных латунях практически одинакова. Ни одна из этих доба­ вок в отдельности не повышает их пластичности в области высоких температур настолько, чтобы можно было осуще­

этих сплавов, необходимы еще некоторая метастабильность латуни и определенное содержание основных компонентов в ней. Только в этом случае под влиянием деформации и температуры можно ожидать развития фазового превраще­ ния a^a + ß, приводящего к достаточно высоким показате­ лям деформируемости.

Прочность матричных латуней в зависимости от состава и состояния колеблется в пределах 20—40 кг/мм2. Она в сильной степени зависит от содержания второго компонен­ та. Как видно из рисунка 32, латунь марки ЛС64-1 имеет более высокую прочность по сравнению с латунью ЛС66-1. Это объясняется тем, что в первом сплаве a-фаза предельно насыщена цинком и в ее структуре содержится уже значи­ тельное количество упрочняющей ß-фазы. С температурой

74

прочность уменьшается и при 700—800° становится близкой к нулю. В области провала пластичности (300—500°) она возрастает на 3—4 кг¡мм2.

Сплавы ЛС64-1 и ЛС66-1 при комнатной температуре и до 300—400° заметно упрочняются кремнием и оловом (рис. 32). Упрочняющее действие комплексных добавок об-

температурах все сплавы независимо от состава имеют очень низкую прочность и эффект сложного легирования исчеза­ ет. Таким образом, малые добавки улучшают свойства ма­ тричных латуней при температурах от комнатной до 400°, т. е. именно в том интервале, в котором ведется эксплуата­ ция матриц: при соприкосновении с расплавленным гар­ том они разогреваются до 280—300°. Следовательно, ми­ кролегированием можно повысить эксплуатационную стой­ кость этих изделий.

Необходимо заметить, что добавки, улучшая технологи­ ческие свойства матричной латуни, вносят ряд особенностей в развитие процесса старения a-фазы, осложняющих иногда их использование. Изменение прочностных свойств матрич­ ного сплава при изменении температурного режима обработ­ ки вызывает появление трещин при штамповке очка ма­ триц. Этот же эффект является причиной преждевременного износа матриц при работе на линотипе, где они работают в условиях циклического нагрева и охлаждения.

Для оценки влияния кремния и других элементов на раз­ витие старения в латуни ЛСбЗ-1 были поставлены специаль-

75

ные опыты [180, 181]. Они показали, что сплав без добавок имеет самые низкие качества. Его микротвердость сильно меняется в узких интервалах температур отжига, отражая значительную неустойчивость свойств при нагреве. Кроме того, сплав обладает невысокой жаропрочностью: интен­ сивное разупрочнение образцов начинается с 200°, а при 300° их микротвердость становится на 25 кгімм2 меньше исходной.

Добавка олова (0,5%) замедляет старение латуни. Неста­ бильность твердости проявляется в узком интервале (125— 225°), тогда как латунь без добавок нестабильна при всех температурах начиная с 50°. Сплав с оловом имеет и более высокую жаропрочность.

Наиболее устойчивые свойства при одинаковых условиях опыта обнаруживаются в латуни с присадкой 0,3% крем­ ния, который сильно тормозит старение. В сплаве с этой до­ бавкой наблюдаются минимальные изменения твердости со временем отжига при 200—350°. Для определенных условий термической обработки (максимальное время нагрева 24 ч) латунь с кремнием проявляет себя как сплав с наиболее по­ стоянными свойствами во времени и по температуре. Под действием кремния порог рекристаллизации латуни смеща­ ется в сторону высоких температур, разупрочнение этого сплава начинается только с 350°.

В соответствии с требованием равномерности свойств по полосе, предъявляемым к матричной латуни, полуфабрика­ ты для поделки матриц должны иметь мелкозернистую структуру. Наибольшее измельчение зерна достигается при введении комплексной добавки, содержащей олово, железо, никель и марганец. Однако исследование развития старения во времени и от температуры показало, что этот сплав про­ являет повышенную склонность к упрочнению, довольно значительную нестабильность свойств. Сплав с комплексной добавкой обладает высокой жаропрочностью: интенсивное разупрочнение образцов при отжиге начинается лишь с

375°.

Путем стабилизирующего низкотемпературного отжига можно устранить или ослабить развитие старения в латунях. Результаты этой операции зависят от состава сплава. Обыч­ ные свинцовистые латуни (без добавок) после предваритель­ ного отжига при 200—250° стареют при последующем нагре­ ве, однако этот процесс развивается более вяло и его можно не заметить при каких-либо конкретных условиях экспери­ мента.

Несколько иное влияние оказывает низкотемпературная обработка на сплавы с добавками. При введении комплекса

76

элементов (0,4% железа+ 0,7% никеля+ 0,7% марганца + 0,25% олова) у образцов обнаруживается высокое упроч­ нение после двухчасового отжига при 200°: микротвердость возрастает на 15 кг¡мм2 и при повторном нагреве она прак­ тически не меняется, т. е. предварительный низкотемпера­ турный отжиг, упрочняя сплав, стабилизирует его свойст­ ва. Отжиг матричной латуни с одинарной добавкой олова (0,5%) в течение 4 ч при 200° не упрочняет сплав, но в про­ цессе последующего нагрева при 50—75° микротвердость возрастает на 20 кг/лглг2 и затем уже не меняется вплоть до 275°. Не устраняется процесс старения в результате предва­ рительной термообработки и в сплавах с кремнием. Следо­ вательно, предварительный отжиг как обычных, так и сложно легированных свинцовистых латуней не исключает старения, а лишь ослабляет его развитие.

Добавки, вводимые в матричную латунь, повышают ее стойкость к воздействию расплавленного гарта, т. е. улуч­ шают эксплуатационные свойства этого сплава. Специаль­ ные исследования показали, что под влиянием циклическо­ го нагрева в расплавленном гарте и охлаждения на воздухе матрицы подвергаются сильному коррозионному разруше­ нию, что оценивается потерей веса образцов и их разупроч­ нением. Наиболее сильно этот процесс развивается в обыч­ ной свинцовистой латуни, без добавок. Раздельная присадка олова и кремния, а также комплексная добавка (железо, ни­ кель, марганец, олово) значительно снижают потери веса и тормозят разупрочнение образцов. Под влиянием олова по­ теря веса уменьшается почти в 2,5 раза после 2500 циклов обработки, а сплавы с кремнием и комплексной добавкой выдерживают при такой же потере веса 5000 циклов обра­ ботки. Микролегирование не устраняет разупрочнения об­ разцов, однако твердость сплавов под его действием после 2500 циклов обработки остается на 20—24 кг/лглг2 выше, чем у обычной латуни ЛС64-2.

Известны и другие данные о свойствах сложных лату­ ней, применяемых для изготовления матриц. В работе [183] изучено действие титана и церия на прочностные характе­ ристики и деформируемость латуни с 30% цинка. Установ­ лено, что микродобавки титана (0,1—0,3%) способствуют измельчению зерна латуни и заметно задерживают ее ре­ кристаллизацию. В структуре сплава обнаруживается дис­ персная фаза, которая при 400° начинает коагулировать. Ее природа изучена еще недостаточно, хотя авторы [183] пред­ полагают, что она представляет собой смесь интерметаллидов TiZns и ТіСиз. Дополнительное легирование сплава цери­ ем вызывает сфероидизацию частиц дисперсной фазы.

77

При введении в сплав лишь одного титана твердость зна­ чительно повышается (рис. 33) по сравнению с твердостью стандартной латуни. Количество добавляемого титана мало влияет на величину упрочнения. Максимальное повышение твердости сплава, связанное со старением, происходит в

Рис. 33. Влияние микродоба­ вок титана и церия (мишме­ талл) на сопротивление раз­

б : 1 — без добавки ; 2 — 0,3 %

Ті+0,3% Се; 3 — 0,5% Ті+ +0,3% Се; 4 — 1,0% ТІ+

+0,3% Се.

Температура отжига,°С

результате отжига при температуре 200° в течение 1 ч. С увеличением содержания титана этот эффект усиливается. При добавке титана вместе с церием твердость сплава изме­ няется аналогично и каких-либо особенностей свойств, свя­ занных с введением церия, не обнаруживается.

В результате отжига при 200° у образцов, содержащих титан, резко возрастает и предел прочности, достигающий

80 кг/мм2 и более, т. е. его величина на 10—15 кгімм2 пре­ восходит прочность стандартной латуни. При повышении температуры отжига до 300° и более сплавы разупрочняются, величина предела прочности падает до 55 кгімм2. Добав­ ка церия не улучшает механических свойств латуни, леги­ рованной титаном. Предел пропорциональности под влияни­ ем церия и титана в зависимости от термической обработки изменяется аналогично пределу прочности.

Удлинение сплавов с титаном после отжига при 200° со­ ставляет 2—3 %, т. е. его величина значительно ниже, чем у стандартной латуни (10%). С повышением температуры от­ жига до 300° удлинение возрастает до 30% и практически не отличается от пластичности сплава без добавок при этой температуре.

Таким образом, у латуни с добавками титана при отжи­ ге обнаруживаются более высокие прочностные характери-

78

стики, чем у обычного сплава. Микродобавки титана повы­ шают жаропрочность матричной латуни. При этом доста­ точной является концентрация титана в пределах 0,1—0,3%. Более высокое содержание этого элемента является нецеле­ сообразным. Вместе с тем установлено, что легирование це­ рием не влияет на жаропрочность латуни.

Титан понижает пластичность сплава при температурах ниже 300°, однако при более высоких температурах дефор­ мируемость заметно улучшается. В стандартной латуни выше 300° протекает рекристаллизация, и зерно укрупняет­ ся. Под влиянием титана этот процесс затормаживается и сплав остается мелкокристаллитным. Именно этим и объяс­ няют авторы [183] относительно высокую пластичность латуни с титаном по сравнению с обычным сплавом. В этом исследовании были получены некоторые противоречивые данные. Так, добавки титана и церия не изменили длитель­ ной прочности сплава в области температур 20—400°, в то время как жаропрочность в этих же условиях заметно повы­ силась. Далее, несмотря на явно легирующее действие тита­ на на пластичность и прочность латуни, электросопротивле­ ние сплава от состава изменилось мало. Все это указывает на необходимость дальнейшего изучения влияния добавок на свойства латуни.

Очень существенным для производства матриц являют­ ся мелкодисперсность и равномерность распределения свин­ ца в сплаве. Поэтому для латуней, прокатываемых вгорячую, следует подбирать такие условия холодной прокатки и режимы отжига, которые обеспечивают получение достаточ­ но равномерного и мелкого зерна. В известной степени это достигается при увеличении степени обжатия и снижении температуры отжига на промежуточных переделах.

Латунь ЛС63-1 с кремнием, прокатываемая вгорячую, имеет несколько меньшую пластичность и повышенную прочность. Применение высоких температур отжига (600° и выше) при обычном охлаждении полос на воздухе вызывает снижение пластичности сплава, что, вероятно, связано с закалкой и частичным старением его. Поэтому рекоменду­ ются более низкие температуры отжига, при которых обес­ печиваются мелкое зерно (0,02—0,03 мм), равномерное дисперсное распределение свинца и твердость в пределах 82—84 единиц по Роквеллу.

Исследованиями [180, 181] показано, что вариации со­ става, применяемые для данного сплава, не определяют ка­ чества матриц и технологических свойств этой латуни. Глав­ ную роль играют ее состояние к моменту обработки и ста­ бильность свойств готовых матриц, обусловленная развити­

79