Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Учебное пособие по лабораторному практикуму по дисциплине

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Для студентов укрупненной группы 150000 - Металлургия, машино-

строение и материалообработка, образовательного направления 150100 -

Металлургия; специализации 150105 - Металловедение и термическая

обработка металлов

Красноярск

2007

Введение

Цветные металлы и сплавы широко применяют в промышленности,

сельском хозяйстве, авиации, ракето- и судостроении, атомной энергетике, а

также в быту.

Для получения изделий высокого качества необходимо уметь, в част-

ности, правильно разрабатывать технологию термической обработки. Поэто-

му студенты специальности 150105 (МТ) в предпоследнем семестре изучают

дисциплину «Металловедение и термическая обработка

цветных сплавов».

По учебному плану предусмотрено выполнение ряда лабораторных работ.

Предлагаемое издание «Металловедение и термическая обработка

цветных сплавов» содержит пять лабораторных работ. В нем приведены

краткие теоретические сведения о металловедении и особенностях техноло-

гии термической обработки латуней, бронз, алюминиевого сплава Д16, тита-

нового сплава ВТ6 и вольфрама марки ВА. Указаны порядок

выполнения ра-

бот, требования к отчету, а также контрольные вопросы и задания.

При подготовке к защите лабораторных работ студенты должны озна-

комиться с учебниками, а также с научно-техническими журналами по ме-

талловедению и термической обработке цветных металлов и сплавов.

Лабораторная работа 1

Металловедение и термическая обработка латуней

Цель работы: Знакомство с технологией термической обработки, хи-

мическим составом, структурой, свойствами, применением латуней.

Теоретические сведения

Латуни - это сплавы меди, в которых главным легирующим элементом

является цинк. Различают латуни, обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-

70*), и литейные (ГОСТ 17711-93).

Медь и ее сплавы имеют две особенности, которые необходимо учиты-

вать при разработке технологии термической обработки: высокую теплопро-

водность и активное взаимодействие с газами при нагреве.

Из-за высокой теплопроводности при упрочняющей термообработке

медных сплавов не возникает проблемы прокаливаемости. При исполь-

зуемых на практике габаритах полуфабрикатов и изделий они прокаливаются

насквозь.

Медь и ее сплавы активно взаимодействуют с кислородом и парами во-

ды при повышенных температурах, поэтому при термической обработке по-

луфабрикатов и изделий часто применяют защитные атмосферы: сырой и

осушенный экзогаз, экзомоногаз, моногаз, диссоциированный аммиак.

Диаграмма состояния системы медь-цинк приведена на рис.1.1. Латуни

чаще имеют структуру: α или α+β

(см. рис.1.1). Фаза α-твердый раствор цин-

ка в меди с кристаллической решеткой меди -гранецентрированная кубиче-

ская (ГЦК). Предельная растворимость цинка в меди составляет 39 %. Фаза β

- упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с

решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). При высоких температурах

β – фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую

область

гомогенности. В этом состоянии β - фаза пластична. При температуре 454-

468 ºC расположение атомов меди и цинка в этой фазе становятся упорядо-

ченным и она обозначается β

. Фаза β

, в отличие от β-фазы, является более

твердой и хрупкой.

Рис. 1.1 Диаграмма состояния системы медь-цинк

Рис. 1.2 Влияние цинка на механические свойства меди

На диаграмме медь-цинк видна область существования γ фазы - это

твердый раствор на базе соединения Cu

электронного типа (рис.1.1).

Имеет сложную кубическую решетку. При 270 ºC происходит упорядочение:

→

Влияние цинка на механические свойства меди показано на рис.1.2. В

области α - твердого раствора прочность и пластичность растут. При появле-

нии в структуре β

- кристаллов пластичность падает, а прочность продолжает

возрастать примерно до 45 % цинка. При большем содержании цинка струк-

тура сплава состоит только из β

- фазы, и прочность сильно уменьшается из-

за высокой хрупкости.

Структура α - латуней после деформации и отжига - полиэдрическая с

большим количеством двойников.

Структура двухфазных α+β латуней: светлые кристаллы α - фазы и

тёмные кристаллы β - фазы (без двойников).

Двойные латуни нередко легируют для улучшения свойств алюминием,

железом, никелем, оловом, марганцем, свинцом и др. элементами. Такие ла-

туни называются специальными или многокомпонентными.

Легирующие элементы, вводимые в двойные латуни, по разному влия-

ют на ее фазовый состав.

Л. Гийе установил, что введение в латунь легирующих элементов (кро-

ме никеля) равноценно повышению содержания в них цинка, т.е. способству-

ет образованию β

фазы. Поэтому специальные латуни, ни чаще двухфазные

α+β

. Гийе определил коэффициенты для вычисления в специальной латуни

"кажущегося" содержания цинка, при котором структура сложных сплавов

идентична структуре сплавов двойной системы медь-цинк. Коэффициенты

Гийе показывают, сколько процентов цинка может структурно заменить 1 %

добавляемого металла, и имеют следующие значения:

Таблица 1.1

Коэффициенты Гийе

Si Al Sn Mg Cd Pb Fe Mn Ni

10-12 4-6 2 2 1 1 0,9 0,5 -1,4

Кажущееся по структуре содержание цинка (X) определяют по сле-

дующей формуле:

%,100⋅

⋅++

⋅

∑

KCBA

KCA

где А - действительное содержание цинка в сплаве;

В – содержание меди;

С – количество доставляемого к латуни элемента;

К - коэффициент Гийе.

Следует отметить, что подобные расчеты носят приближенный харак-

тер. Они оказываются справедливыми для многокомпонентных латуней, в

которых содержание добавки (кроме цинка) не превышает нескольких про-

центов. Кроме того, коэффициенты замены цинка были определены для ли-

тых (т.е. неравновесных) сплавов.

Принципы выбора режимов отжига меди и ее сплавов

При разработке технологии термической обработки меди и ее сплавов

приходится учитывать две их особенности: высокую теплопроводность и ак-

тивное взаимодействие с газами при нагреве. При нагреве тонких изделий и

полуфабрикатов теплопроводность имеет второстепенное значение. При на-

греве массивных изделий высокая теплопроводность меди

является причиной

более быстрого и равномерного их прогрева по всему сечению по сравнению,

например, с титановыми сплавами.

В связи с высокой теплопроводностью при упрочняющей термической

обработке медных сплавов не возникает проблемы прокаливаемости. При

используемых на практике габаритах полуфабрикатов и изделий они прока-

ливаются насквозь.

Медь и сплавы на ее основе активно

взаимодействуют с кислородом и

парами воды при повышенных температурах, по крайней мере, более интен-

сивно, чем алюминий и его сплавы. В связи с этой особенностью при терми-

ческой обработке полуфабрикатов и изделий из меди и ее сплавов часто при-

меняют защитные атмосферы, в то время как в технологии термической об-

работки алюминия защитные атмосферы встречаются редко.

Отжиг меди и ее сплавов проводят с целью устранения тех отклоне-

ний от равновесной структуры, которые возникли в процессе затвердевания

или в результате механического воздействия либо предшествующей терми-

ческой обработки.

Гомогенизационный отжиг заключается в нагреве слитков до макси-

мально возможной температуры, не вызывающей оплавления структурных

составляющих сплавов. Ликвационные явления в меди и латунях развивают-

ся незначительно, и нагрев слитков под горячую обработку давлением доста-

точен для их гомогенизации. Основными сплавами меди, нуждающимися в

гомогенизационном отжиге, являются оловянные бронзы, так как составы

жидкой и твердой фаз в системе Cu-Sn сильно отличаются, в связи с чем раз-

вивается

интенсивная дендритная ликвация.

В результате гомогенизацнонного отжига повышается однородность

структуры и химического состава слитков. Гомогенизационный отжиг - одно

из условий получения качественного конечного продукта.

Рекристаллизационный отжиг - одна из распространенных технологи-

ческих стадий производства полуфабрикатов меди и сплавов на ее основе.

Температуру начала рекристаллизации меди интенсивно повышают Zr,

Cd, Sn, Sb, Сr, в то время как Ni, Zn, Fe, Co оказывают слабое влияние.

На температуру рекристаллизации латуней также влияет предшест-

вующая обработка, в первую очередь степень холодной деформации и вели-

чина зерна, сформировавшегося при этой обработке. Так, например, время до

начала рекристаллизации латуни Л95 при температуре 440

С составляет 30

мин при степени холодной деформации 30% и 1 мин при степени деформа-

ции 80%.

Величина исходного зерна действует на процесс рекристаллизации

противоположно повышению степени деформации. Например, в сплаве Л95 с

исходным зерном 30 и 15 мкм отжиг после 50% деформации при температуре

440

С приводит к рекристаллизации через 5 и 1 мин соответственно. В то же

время величина исходного зерна не влияет на скорость рекристаллизации,

если температура отжига превышает 440

С.

При одинаковых условиях деформации и отжига с увеличением содер-

жания цинка величина зерна уменьшается, достигает минимума, а затем рас-

тет. Так, например, после отжига при 500

С в течение 30 мин величина зерна

составляет: в меди 0,025 мм; в латуни с 15% Zn 0,015 мм, а в латуни с 35% Zn

0,035 мм. В α - латунях зерно начинает расти при относительно низких тем-

пературах и растет вплоть до температур солидуса. В двухфазных (α+β)- и

специальных латунях рост зерна, как правило, происходит лишь при

темпе-

ратурах, при которых остается одна β- фаза. Например, для латуни Л59 зна-

чительное увеличение зерна начинается при отжиге выше температуры 750

С.

Температуру отжига латуней выбирают примерно на 250-350

С выше

температуры начала рекристаллизации (табл. 1.2).

При отжиге сплавов меди с содержанием 32-39% Zn при температурах

выше α↔α+β перехода выделяется β- фаза, что вызывает неравномерный

рост зерна. Отжиг таких сплавов желательно проводить при температурах, не

превышающих линию α↔α+β равновесия системы Cu-Zn. В связи с этим ла-

туни, лежащие по составу вблизи

точки максимальной растворимости цинка

в меди, следует отжигать в печах с высокой точностью регулировки темпера-

туры и большой однородностью распределения ее по объему печи.

При отжиге сплавов меди с содержанием 32-39% Zn при температурах

выше α↔α+β перехода выделяется β- фаза, что вызывает неравномерный

рост зерна. Отжиг таких сплавов желательно проводить при температурах

, не

превышающих линию α↔α+β равновесия системы Cu-Zn. В связи с этим ла-

туни, лежащие по составу вблизи точки максимальной растворимости цинка

в меди, следует отжигать в печах с высокой точностью регулировки темпера-

туры и большой однородностью распределения ее по объему печи.

На рис. 1.3 приведены оптимальные режимы отжига простых латуней

по

результатам обобщения технологических рекомендаций, накопленных в

отечественной и мировой практике. Обнаруживается тенденция к повыше-

нию температуры полного отжига латуни с увеличением содержания в них

цинка.

Таблица 1.2

Режимы отжига меди и сплавов на ее основе

Марка сплава

Температура,

начала рекри-

сталлизации

полного

отжига

отжига для уменьшения

остаточных напряжений

Медь (MI, М2, М3, М06) 180-230 500-700 180-230

Л96 300 450-600 300

Л90, Л85, Л70 335-3370 650-720 200

Л68, ЛМш68-0,05 300-370 520-650 260-270

Л63 (кроме тонких лент) 350-370 600-700 300

Л59 350-370 600-670 -

ЛА77-2, ЛАМц77-2-0,05 - 600-650 300

ЛАН59-3-2, ЛН65-5 - 600-650 350

ЛЖМц59-1-1, ЛМц58-2,

ЛМКА58-2-1-1,

ЛМцАЖН59-3,5-2,5-0,5-

0,4, ЛМцСКА58-2-2-1-1

600-650 -

ЛО90-1 - 650-720 -

ЛО70-1, ЛОМш70-1-0,05 - 560-580 400-500

ЛО62-1, ЛО60-1 - 550-650 400-500

ЛС74-3, ЛС60-1 400 600-650 -

ЛС64-2, ЛС63-3 - 620-670 -

ЛС59-1 360 600-650 285

БрО6,5-0,4, БрО4-0,25 350-360 600-650 250-260

БрОЦ4-3, БрОЦ-4-2,5 400 600 250

БрА5 - 600-700 -

БрА7, БрАМц9-2 - 650-750 275

БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4

БрМцО7-3, БрМц5

- 700-750 -

БрБ2, БрБНТ-l,7 - 550 -

БрКМц3-1 350 600-680 275

МНЖМц30-1-1 450 780-810 250-300

MНl9 420 600-780

МНЦ15-20 700-750 250-300

МН95-5, МНЖ5-1 350 650 -

При выборе режимов рекристаллизационного отжига латуней следует

учитывать, что сплавы, лежащие вблизи фазовой границы α⁄ α+β (рис. 1.3), из-

за переменной растворимости цинка в меди могут термически упрочняться.

Закалка латуней, содержащих более 34% Zn, делает их склонными к старе-

нию, причем способность к упрочнению при старении растет с увеличением

содержания цинка до 42%. Практического применения этот вид термического

упрочнения латуней не нашел. Тем не менее скорость охлаждения латуней

типа Л63 после рекристаллизационного отжига влияет на их механические

свойства. Возможность распада пересыщенных растворов в α-латунях, со-

держащих более 34% Zn, и в α+β -латунях следует также иметь в виду при

выборе режимов

отжига для уменьшения напряжений. Сильная холодная де-

формация может ускорять распад пересыщенных α- и β- растворов при отжи-

ге.

Рис. 1.3 Диаграмма состояния системы Cu-Zn и температурные интервалы : 1 – на-

грев под обработку давлением; 2 – рекристаллизационного отжига; 3 – отжига для умень-

шения остаточных напряжений

По литературным данным, температура начала рекристаллизации лату-

ни Л63 колеблется от 250 до 480

С. Наиболее мелкозернистая структура в

сплаве Л63 образуется после отжига при температурах 300-400

С. Чем выше

степень предшествующей холодной деформации, тем меньше величина рек-

ристаллизованного зерна и больше твердость при одинаковых условиях от-

жига.

Качество отожженного материала определяется не только его механи-

ческими свойствами, но и величиной рекристаллизованного зерна. Величина

зерна в полностью рекристаллизованной структуре довольно однородна. При

неправильно установленных режимах рекристаллизационного отжига в

структуре четко обнаруживаются две группы зерен различной величины. Эта

так называемая двойная структура особенно нежелательна при операциях

глубокой вытяжки, гиба или полировки и травлении изделий.

С увеличением размеров зерна до определенного предела штампуе-

t, ºC

1083

1000

800

600

400

200

(

по массе

)

α+

454 º

мость латуней улучшается, но качество поверхности ухудшается. На поверх-

ности изделия при величине зерна более 40 мкм наблюдается характерная

шероховатость - «апельсиновая корка».

Этапы эволюции деформированной структуры значительно растянуты

во времени, и поэтому представляется возможным получение частично или

полностью рекристаллизованной структуры с мелким зерном путем варьиро-

вания времени отжига. Полуфабрикаты с не полностью

рекристаллизованной

структурой с очень малым размером зерна штампуются без образования

«апельсиновой корки».

Неполный отжиг, продолжительность которого определяется степенью

предварительной деформации, проводят в интервале 250-400

С. Для соблю-

дения точного технологического режима такой отжиг следует проводить в

протяжных печах, где строго контролируется рабочая температура и продол-

жительность выдержки (скорость протяжки).

Неполный отжиг применяют преимущественно с целью уменьшения

остаточных напряжений, которые могут приводить к так называемому «се-

зонному растрескиванию». Этот вид коррозии, присущий латуням с содер-

жанием

более 15% Zn, заключается в постепенном развитии межкристаллит-

ных трещин при одновременном воздействии напряжений (остаточных и

приложенных) и специфических химических реагентов (например, растворы

и пары аммиака, растворы ртутных солей, влажный серный ангидрид, раз-

личные амины и т. д.). Считается, что чувствительность латуней к сезонному

растрескиванию обусловлена скорее неоднородностью напряжений, чем их

абсолютной

величиной.

Отжиг для уменьшения остаточных напряжений проводят в темпера-

турном интервале ниже температуры начала рекристаллизации с тем, чтобы

заметно не снижались механические свойства, полученные нагартовкой.

Обычно этот интервал температур лежит между 250 и 330

С, а продолжи-

тельность отжига колеблется от 1 до 2 ч. Такая операция значительно снижа-

ет остаточные напряжения и, как правило, выравнивает их по объему изде-

лия.

Химический состав, структура, свойства, режим термообработки и

применение для латуней Л63, ЛО62-1, ЛМц58-2, ЛС 59-1, ЛЖМц 59-1-1 при-

ведены в табл.1.3.

Таблица 1.3

Состав, структура, свойства, термообработка и применение некоторых де-

формируемых латуней.

Марка

сплавов

Химический

состав, %

Структура

МПа

Термообработка,

Применение

t начала

рекрист.

полн.

отжиг

для ↓

ост.

напр.

мягкая

Л63 дефор-

мируемая

62-65Cu;

0,07Pb;

0,2Fe;

0,005Sb;

0,002Bi;

0,01P;

остальное-цинк

)(

350-440 40-50 350-370 600-700 300

Для изготовле-

ния полос, лис-

тов, лент, про-

волоки, прут-

ков, труб. Исп.

во всех обл.

промышленно-

сти

Л062-1 де-

формируе-

мая

61-63 Cu;

0,7-1,1Sn;

0,1Pb;

0,1Fe; 0,005Sb;

0,002Bi;

0,01P;

остальное-цинк

)(

370-420 55-65 300-350 550-650 -

Листы, полосы,

прутки. Изго-

тов. детали в

морском ко-

раблестроении

ЛМц 58-2

деформи-

руемая,

литейная

57-60Cu;

1,0-2,0Mn;

0,1Pb;

0,1Fe; 0,005Sb;

0,002Bi;

0,01P;

остальное -

цинк

370-440 36-45 300-400 600-650 ~300

В судострои-

тельной про-

мышленности.

Изгот. прутки,

листы, ленты,

полосы.

ЛЖМц 59-

1-1 дефор-

мируемая

57-60Cu;

0,6-1,2Fe; 0,5-

0,8Mn; 0,1-

0,4Al;

0,3-0,7Sn;

0,2Pb;

0,01Sb;

0,003Bi;

0,01P;

остальное-цинк

412-470 45-55 400 600-650 ~300

Трубы, листы,

полосы, прут-

ки. Имеет вы-

сокую проч-

ность и корр.

стойкость в

атм. условиях и

морской воде.

ЛС 59-1

деформи-

руемая,

литейная

57-60Cu;

0,8-1,9Pb;

0,5Fe;

0,01Sb;

0,003Bi;

0,02P;

остальное-цинк

290-412 36-50 360 600-650 285

Листы, полосы,

ленты, прутки,

проволока,

трубы. Примен.

во всех облас-

тях промыш-

ленности

Порядок выполнения работы

1. Сделать разбор диаграммы медь-цинк. Изучить структуры двойных

латуней. Оценить влияние цинка на механические свойства меди.

2. Изучить структуру специальных латуней. Определить с помощью

коэффициентов Гийе кажущееся по структуре содержание цинка для указан-

ной преподавателем марки специальной латуни.

3. Познакомиться с химическим составом, структурой, свойствами,

термообработкой и применением ряда латуней.