коля / u_course

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г. А. Меркулова

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Рекомендовано Учебно-методическим департаментом СФУ в качестве учебного пособия

Красноярск

СФУ

2008

1

УДК 669.017 (075.8) БКК 34.23

М52

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов

дисциплин

Меркулова, Г. А.

М52 Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособие / Г. А. Меркулова. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008. – 312 с.

ISBN

В пособии изложены сведения о технологии термической обработки, структуре, свойствах и применении ряда цветных металлов и их сплавов. Рассмотрены медь, алюминий, магний, титан, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, бериллий, никель, благородные металлы, торий, уран, плутоний и их сплавы.

Для студентов специальной и магистерской подготовки образовательного направления 150100 «Металлургия» специализации 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов».

УДК 669.017 (075.8) БКК 34.23

Учебное издание

Галина Александровна Меркулова

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

Редактор И. Н. Байкина Компьютерная верстка И. В. Манченкова

Сибирский федеральный университет; 660074, Красноярск, ………………

2

ВВЕДЕНИЕ

Вглубокой древности люди вначале использовали металлы, которые встречались в чистом виде – медь и золото. Материалы определяли историческую эпоху: каменный, бронзовый, железный века.

По общепринятой классификации железо является черным металлом, а все остальные – цветными, которые можно разделить на легкие, тяжелые, тугоплавкие, а также благородные и радиоактивные.

Металлы входили в жизнь человека постепенно в течение некоторого переходного периода между каменным векам и веком металлов. Сотни тысяч лет назад люди пользовались «инструментами» из камня. Затем стали применять металлы, которые встречаются в природе в чистом виде – в самородках (золото, серебро). Вероятнее всего, первым металлом, который люди стали использовать, было золото. Более 100 кг золота пошло на саркофаг фараона Тутанхамона. Много золота было у древних инков.

Историки выделяют каменно-медный век, когда оружие и инструменты делали из меди, но еще использовали кремневые орудия. Первые мелкие медные изделия (наконечники для стрел и копий) ковали из найденных самородков. Люди обнаружили, что при холодной ковке медь не только принимает нужную форму, но становится тверже и прочнее.

Позже было выявлено, что упрочненный холодной ковкой металл можно снова сделать мягким, если нагреть его на огне. Прошло немало времени, и люди научились плавить медь и отливать ее в формы, а также паять медь серебряной проволокой. Однако знания о металлах и умение

сними обращаться не были всеобщим достоянием. Круг посвященных был узок.

При всех своих достоинствах медь имела и существенный недостаток: медные орудия и инструменты быстро затуплялись.

Вбронзовом веке люди стали использовать сплав меди и олова – оловянную бронзу. Медь легировали также свинцом, мышьяком и сурьмой. Бронзы, по сравнению с медью, имеют лучшие литейные свойства, большую твердость и прочность, сильнее упрочняются в результате холодной деформации. Техника металлургии и металлообработки развилась довольно поздно, по сравнению с гончарным делом и ткачеством, и с самого начала находилась в руках специалистов. Считается, что в Египте бронзовые изделия стали изготавливать в начале ІІ тысячелетия до н.э. Во ІІ тысячелетии до н.э. стали использовать бронзу и в Европе. На среднем Востоке бронзовый век начался несколько раньше.

3

Большой спрос на ценную бронзу стимулировал развитие горного дела, а также торговли. Очаги бронзовой культуры возникали и развивались во многих уголках древнего мира.

Из бронзового века дошло до нас немало выдающихся изделий ремесла различных народов. Оружие, инструменты, украшения, посуда и другие предметы свидетельствуют об удивительном искусстве древних мастеров, которым были хорошо известны специфические свойства меди и ее сплава – бронзы.

Люди давно узнали также свинец, ртуть, сурьму. В период увлечения алхимией сурьма приобрела особое значение, прежде всего потому, что в расплавленном виде она хорошо растворяет многие другие металлы – «пожирает» их.

Вдревности ртуть широко применяли для золочения. Золото легко растворяется в ртути и образует с ней сплав – золотую амальгаму, которую наносят на обрабатываемое изделие. Затем его нагревают, ртуть испаряется, а на изделии остается слой золота. В наше время от такого процесса огневого золочения отказались, потому что пары ртути чрезвычайно вредны для здоровья.

Сплав меди с цинком называют латунью. По виду латунь напоминает золото. Латунь применяли еще во времена Гомера (VІІІ в. до н.э.). В древности сплавляли медь с цинковой рудой. И в Риме при императоре Августе (63 г. до н.э. – 14 г. н.э.) чеканили латунные монеты. Европа узнала о цинке только в ХVІІІ в. Китайцам цинк был известен раньше.

Историки считают, что платину (благородный металл) обрабатывали в Египте еще в 1500 г. до н. э. Известно, что индейцы в Америке давно были знакомы с платиной и оттуда ее доставляли в Европу. Бронзовый век

сменил век железный (железо – основа черных сплавов: стали и чугуна). Но работа с цветными сплавами продолжается1.

Ученые всего мира вносят вклад в развитие науки о термической обработке цветных сплавов. Еще в 1900 г. А.А. Байков (1870–1946) на сплавах меди с сурьмой доказал, что способность к закалке присуща не только сталям, как это считали ранее, но и цветным сплавам. В 1903 г. в Германии был взят патент на «способ облагораживания алюминиевых сплавов нагреванием и закалкой». Было показано, что предел прочности литых сплавов алюминия с медью в результате закалки возрастает в 1,5 раза.

В1906 г. немецкий инженер А. Вильм (1869–1937) на изобретенном им дуралюмине открыл старение после закалки – один из основных способов упрочнения сплавов. В 1919 г. американский металловед П. Мерика

1 Беккерт М. Мир металла: пер. с нем. М., 1980.

4

(1889–1957 г.) вскрыл природу старения дуралюминов, связав упрочнение при старении с образованием дисперсных выделений в пересыщенном твердом растворе. Это было одним из наиболее выдающихся достижений в теории термической обработки: по диаграммам состояния с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии стало возможным предсказывать области составов сплавов, способных к дисперсионному твердению.

Начиная с 20-х гг. прошлого века с помощью новых методов анализа совершенствовались старые и разрабатывались новые способы термообработки, создавались новые термически упрочняемые сплавы.

Среди отечественных ученых, внесших большой вклад в теорию и практику термообработки цветных сплавов, необходимо отметить А.А Бочвара, Д.А. Петрова, С.М. Воронова, И.Ф. Колобнева, И.Н. Фриндляндера, И.И Новикова, В.И Елагина, В.А. Ливанова, Б.А. Колачева, Р.М. Габидуллина, А.П. Смирягина, М.В. Мальцева и др.

Из зарубежных ученых, работающих с алюминиевыми сплавами, особо следует выделить Л.Ф. Мондольфо.

В настоящее время роль сплавов на основе цветных металлов возрастает с каждым годом. Кроме металлургии, машиностроения, судостроения и других давно сложившихся областей техники, металлические материалы этой группы применяют в приборостроении, электронной, ядерной, криогенной технике, радиотехнике, авиации, космонавтике, медицине.

Предложенное учебное пособие написано в соответствии с учебной программой дисциплины «Металловедение и термическая обработка цветных сплавов» и предназначено студентам выпускного курса специальной подготовки, а также магистрантам. Поскольку студенты уже изучили такие дисциплины, как «Кристаллография и дефекты кристаллического строения металлов», «Материаловедение», «Теория термической обработки металлов», «Механические свойства металлов», и ознакомлены с маркировкой, структурой и свойствами ряда цветных сплавов, в данном пособии бóльшее внимание уделено технологии термической обработки.

Автор выражает большую благодарность и признательность за помощь в подготовке пособия Задворной Н.Г., Капковой А.В., Овсянниковой Л.С., Чивировой М.Г., Агапитову С.В., Бартош И.И.

5

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Термическая обработка включает нагрев металла или сплава до выбранной температуры, выдержку при этой температуре в течение заданного времени и охлаждение по определенному режиму. В связи с этим выбор оптимального варианта термической обработки, обеспечивающего наилучшее сочетание механических и служебных свойств металла и сплава в данном конкретном применении, становится довольно сложной задачей.

Важное значение имеет обоснование не только температурновременных параметров термической обработки, но и выбор способа нагрева, атмосферы печи, охлаждающей среды. Нагрев можно осуществлять конвекцией, излучением, электроконтактным и индукционным методами, в расплавленных солях.

Выбор атмосферы печи определяется интенсивностью взаимодействия металлов и сплавов с газами. Термическая обработка некоторых металлов на воздухе недопустима из-за интенсивного взаимодействия их с кислородом и парами воды.

Выбор охлаждающей среды обуславливается видом термообработки. При некоторых видах термообработки цветных металлов скорость охлаждения не играет существенной роли. В ряде случаев выбор допустимой скорости нагрева и охлаждения определяется геометрией и размерами изделия.

Выбирая режим упрочняющей термической обработки, необходимо учитывать прокаливаемость сплавов.

При выборе режимов термической обработки термически упрочняемых сплавов важное значение имеют диаграммы изотермических превращений. Они позволяют дать научное обоснование режимов закалки, старения, отжига.

Титановые сплавы, обладающие высокой склонностью к водородной хрупкости, подвергают вакуумному отжигу для снижения содержания водорода до безопасного уровня. Вакуумный отжиг можно ввести на заключительных этапах обработки давлением или на последней стадии получения готового изделия. Это зависит от типа сплава и технологии производства изделий.

6

1.1. Способы нагрева и охлаждения

Наиболее широко применяют печи электросопротивления и пла-

менного нагрева, в которых тепло нагреваемому телу передается конвекцией и излучением.

При индукционном нагреве тело помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в теле электрический ток вследствие электромагнитной индукции. Этот ток и нагревает тело. Применение индукционного способа нагрева наиболее целесообразно при термообработке деталей сравнительно простой формы при крупносерийном производстве.

При контактном нагреве заготовка нагревается проходящим через нее током большой силы. Быстрый и равномерный нагрев заготовок, исключающий сильное окисление и значительный рост зерна, делает этот способ наиболее высокопроизводительным и рациональным при нагреве длинномерных изделий.

При термической обработке цветных металлов широкое применение нашли печи-ванны. В качестве нагревательной среды в них используют расплавы солей, щелочей, металлов, а также масла.

Выбор состава нагревательных жидких сред определяется режимом термообработки и в первую очередь температурой нагрева.

В зависимости от охлаждающей способности, охлаждающие среды

делят на три группы: 1) сильнодействующие охладители (растворы NaOH

в воде: 5 %-й, 10–15 %-е; вода при 15–30 оС; жидкий азот; гелий); 2) среднедействующие охладители (расплавленные соли, щелочи, металлы, растительные и минеральные масла); 3) слабодействующие (струи сухого воздуха и паро-воздушных смесей, вода при 80–90 оС; мыльная вода и др.).

Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теплоты испарения, теплоемкости и вязкости. При погружении изделия с высокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипения на поверхности изделия наблюдается паровая пленка. По мере понижения температуры паровая пленка разрывается, при этом интенсивно образуются пузырьки пара, и интенсивность охлаждения резко возрастает. При последующем охлаждении тепло передается конвекцией от поверхности изделия к охлаждающей среде.

Охлаждение в воде. Циркуляция воды повышает скорости охлаждения в области высоких температур. Повышение скоростей охлаждения в области низких температур приводит к увеличению остаточных напряже-

7

ний, и поэтому нагрев воды в закалочных баках ограничивается температурами 25–45 оС.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Незначительное ко-

личество примесей существенно изменяет охлаждающую способность воды. Это связано с влиянием примесей на устойчивость паровой пленки. При этом растворимые примеси уменьшают, а нерастворимые, наоборот, увеличивают стабильность паровой пленки.

Охлаждение в маслах. Температуры кипения масел на 150–300 оC выше, чем воды. Скорости охлаждения в масле при повышенных температурах в 5–8 раз меньше, чем в воде. Масла пониженной вязкости обладают более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами повышенной и высокой вязкости.

Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Расплавленный свинец удовлетворяет требованиям теплотехники, но дефицитен, а испарения его вредны для обслуживающего персонала. Поэтому свинец заменяют другими средами. Расплавленные соли и щелочи и их смеси имеют ряд преимуществ перед свинцом: поверхность изделий после закалки в щелочах не окисляется, использование соляных и щелочных ванн позволяет осуществить внутренний электрический обогрев, легко автоматизировать регулирование температуры и просто решать проблемы перемешивания расплава.

Охлаждение на воздухе. При охлаждении на воздухе тепло передается излучением и конвекцией. Интенсивность конвективного теплообмена при вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движения газа, его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждаемых изделий.

1.2. Термические напряжения

Нагрев и охлаждение металла при термической обработке вызывают появление внутренних напряжений в изделии, которые называют термическими напряжениями. Величина и характер распределения этих напряжений изменяются в течение процесса нагрева или охлаждения. Напряжения в изделии, соответствующие определенному моменту времени нагрева или охлаждения, называют временными. После полного выравнивания температуры при охлаждении или нагреве в объеме сохраняются внутренние напряжения, которые называют остаточными.

8

Основная причина возникновения термических напряжений – неодинаковые скорости нагрева или охлаждения различных объемов изделия.

Если при термообработке сплава протекают фазовые превращения, связанные с объемными изменениями из-за разного удельного объема фаз, то это приводит к возникновению напряжений в том случае, когда превращения протекают неодновременно по всему объему изделий. Такие напряжения называют структурными, или фазовыми. Временные и остаточные структурные термические напряжения в ряде случаев ведут к образованию дефектов в изделиях, подвергающихся термообработке.

При симметричном нагреве тела простой конфигурации, например длинной пластины, скорость нагрева в начальный период времени в поверхностных слоях выше, чем в центральных. На конечных стадиях скорость нагрева центральных слоев превышает скорость нагрева периферийных слоев (рис. 1.1). Таким образом, максимальная величина временных напряжений соответствует моменту времени, когда скорости нагрева периферийных и центральных слоев выравниваются. Этому моменту времени соответствует и максимальный перепад температур периферии и центра.

t

Рис. 1.1. Схема распределения температур по сечению тела (а) и температурные кривые нагрева (б) и охлаждения (в) поверхностных (1) и центральных (2) слоев

При охлаждении временные напряжения формируются аналогичным образом, но знак их изменяется по сравнению со случаем нагрева.

Рассмотрим теперь возникновение напряжений при нагреве и охлаждении тел сложной конфигурации в упругой области. На рис. 1.2 показаны разнотолщинное изделие и температурные кривые нагрева тонкого Ι и массивного ΙΙ частей сечения. Тонкая часть сечения при всестороннем на-

9