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

Подождите немного. Документ загружается.

4. Обосновать режим термической обработки латуни: температура,

время выдержки, скорость охлаждения.

Выполнить термообработку с охлаждением в воде и на воздухе.

Приготовить шлифы и изучить микроструктуру латуней с помощью

микроскопа МИМ-7.

Измерить твердость на приборе Роквелла ТК-2 по шкале В (HRB).

Полученные данные оформить в виде таблицы и графика: зависимость

HRB от температуры.

Оборудование, инструменты, материалы

Лабораторные камерные электропечи; набор образцов латуней; щипцы;

бак с водой; шлифовальная бумага; сукно; окись хрома; шлифовальные и по-

лировальные станки; травитель; 5г FeCl

+15мл HCL+50мл H

0; металлогра-

фический микроскоп МИМ-7; прибор типа Роквелла ТК-2; ГОСТ 9013-59;

наконечник – стальной шарик; циркуль; линейка.

Требования к отчету

1. Отчет оформить в соответствии со стандартом СТП 2.407-2005.

2. Указать цель работы.

3. Начертить диаграмму медь-цинк. Определить кажущееся по струк-

туре содержание цинка. Показать положение специальной латуни на двойной

диаграмме медь-цинк.

4. Привести химический состав, структуру, свойства, применение ука-

занной преподавателем марки латуни.

5. Дать обоснование выбора режима термической обработки.

6. Описать используемое оборудование, инструменты, материалы.

7. Привести результаты экспериментов.

8. Дать анализ полученных результатов и сделать вывод по работе.

9. Указать использованную литературу.

Контрольные вопросы и задания

1 Назовите особенности медных сплавов, которые необходимо учиты-

вать при термообработке.

2 Какова структура двойной латуни?

3 Объясните влияние цинка на механические свойства меди.

4 Что такое «сезонная болезнь» и как она устраняется?

5 Для чего нужны коэффициенты и формула Л.Гийе?

6 Поясните влияние легирующих элементов и примесей на структуру и

свойства латуни. Укажите марки и применение латуней.

7 Виды термической обработки латуней?

8 Виды брака при термической обработке меди и ее сплавов?

Литература

1. Колачев, Б.А. Технология термической обработки цветных металлов

и сплавов [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Б.А.Колачев, Р.М. Габидуллин,

Ю.В.Пигузов. - М.: Металлургия, 1980. - 280 с.

2. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение [Текст]: учебник для студ. высш.

техн.уч.завед./ Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г. Ф.Косолапов, и др.; под общ.

ред. Б.Н.Арзамасова. -2-е изд. - М.:Машиностроение, 1986. - 384 с.

3. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов

[Текст]: учебник для вузов/Ю.М.Лахтин.- 3-е изд.-М.: Металлургия, 1983.-

360 с.

4. Самохоцкий, А.И. Технология термической обработки металлов

[Текст]: учебник для техник/ А.И.Самохоцкий, Н.Г.Парфеновская.-2-е изд.-

М.: Машиностроение, 1976.- 311 с.

5. Захаров, А.М. Промышленные сплавы цветных металлов [Текст] /

А.М.Захаров.-М.: Металлургия, 1980.- 256 с.

6. Смирягин, А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы [Текст]:

справочник/ А.П.Смирягин, Н.А.Смирягина, А.В.Белова.-3-е изд.-М: Метал-

лургия, 1974.-488 с.

7. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных ме-

таллов и сплавов [Текст]: учебник для студ. высш.уч.завед. /Б.А.Колачев,

В.А.Ливанов, В.И.Елагин. -4-е изд. - М.: МИСиС, 2005. -432с.

8. Арзамасов, Б.Н. Справочник по конструкционным материалам

[Текст]: справочник/ Б.Н.Арзамасов, Т.В.Соловьева, С.А.Герасимов и др. под

ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой.-М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана,

2005.-640 с.

9. СТП 2.407-2005 Текстовые документы в учебном процессе. Общие

требования к построению, изложению и оформлению [Текст]. – Введ. 2005 -

01-06.- ГУЦМиЗ.- Красноярск, 2005 – 68 с.

Лабораторная работа 2

Металловедение и термическая

обработка бронз

Цель работы: Знакомство о технологией термической обработки, хи-

мическим свойством, структурой, свойствами, применением бронз.

Теоретические сведения

Бронзы - это сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но

только наряду с другими, может быть и цинк.

Бронзы подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые,

кремнистые, свинцовые, марганцевые, хромовые, циркониевые, кадмиевые,

магниевые, серебряные.

Марки оловянных бронз, обрабатываемых давлением, даны в ГОСТе

5017-74*, а литейных - в ГОСТе 613-79.

Марки безоловянных бронз, обрабатываемых давленном, указаны в

ГОСТе 18175-78*, а литейных - в ГОСТе 493-79.

Соответствующие диаграммы состояния показаны на рис. 2.1-2.4.

По микроструктуре оловянные бронзы раз-

деляют на однофазные

- бронзы (содержание

олова до 6 %) и двухфазные

+ эвтектоид

[

]

)(

831

SnCu

(содержание олова более 6 %).

Структура алюминиевых бронз может быть

однофазная (

) и двухфазная

()

[]

(см.

рис. 2.3). Двухфазные бронзы можно подвергать

упрочняющей термообработке. При быстром ох-

лаждении (закалке)

- фаза претерпевает не эв-

тектоидное, а мартенситное превращение.

твердый раствор на базе электронного соедине-

ния Cu

Al c ОЦК решеткой;

- твердый раствор

на основе электронного соединения Cu

сложной кубической решеткой. После закалки с

980 0C сплав БрАЖН 10-4-4 имеет высокую пла-

стичность. Последующее старение (отпуск) при

400 °С приводит к распаду

- фазы с образованием тонкодисперсного эв-

тектоида

. После старения прочность и твердость сплавов существенно

повышается, а пластичность уменьшается.

Рис. 2.1 Диаграмма состояния

медь-олово

Хромовые бронзы относятся к термически упрочняемым. После старе-

ния структура хромовых бронз представлена почти чистой медью и неболь-

шим количеством (по объему) выделений хрома.

Рис. 2.2 Диаграмма состояния медь-хром

Рис. 2.3 Диаграмма состояния медь-алюминий

Растворимость циркония в меди составляет 0,11 % при 965 °С. С пони-

жением температуры растворимость уменьшается. Упрочнение меди дис-

персным выделением фазы Cu

Zr невелико.

Применение указанных деформируемых

бронз:

БрОФ 6,5-0,4: применяется главным образом -

для изготовления металических сеток в целлюлоз-

но-бумажной - промышленности.

Бронза имеет высокие механические, корро-

зионные и антифрикционные свойства, хорошую

износостойкость. Бронза БрОФ 6,5-0,5 применяется

для изготовления антифрикционных деталей, пру-

жин и других изделий в радиотехнике, электротех-

нике и др. областях машиностроения.

БрАЖН 10-4-4: имеет высокую прочность, обладает хорошими корро-

зионными, удовлетворительными антифрикционными свойствами, отличает-

ся повышенной жаропрочностью. Применяется в авиапромышленности,

(седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, шестерни), в

общем машиностроении для изготовления деталей ответственного назначе-

ния. Изготавливают также литые детали высокой прочности.

БрХ 0,5: имеет высокие механические свойства. высокую электропро-

водность и теплопроводность, повышенную температуру рекристаллизации.

Применяется для электродов электросварочных аппаратов и изготовления

коллекторов электромоторов. Изготовляют различные детали, работающие

при повышенных температурах.

БрЦр 0,4: применяют в тех случаях, когда требуется сочетание высокой

электропроводности и теплопроводности с жаропрочностью.

Принципы выбора режимов закалки и старения

дисперсионно твердеющих сплавов

В табл. 2.1 представлены марки и режимы термической обработки ос-

новных промышленных дисперсионно твердеющих сплавов на медной осно-

ве.

Все эти сплавы претерпевают фазовые превращения в твердом состоя-

нии и подвергаются закалке без полиморфного превращения. Закалка или

обработка на твердый раствор преследует две цели: подготовить сплав к

старению

и добиться максимальной пластичности для дальнейшей деформа-

ции.

Температура нагрева под закалку должна обеспечивать, возможно, бо-

лее полное растворение избыточных фаз в матричной фазе и находиться в

двойной системе между линиями сольвуса и солидуса. Хотя процессы рас-

творения избыточных фаз значительно ускоряются с повышением темпера-

туры, нагрев в непосредственной близости к

линии солидуса технологически

нерационален. В этом случае из-за возможного перепада температур в садке

Рис. 2.4 Диаграмма со-

стояния медь- цирконий

и неточности теплового контроля возникает опасность пережога изделия. От-

сюда вытекает строгое требование контролировать температуру в закалочных

печах с точностью ± 10

С. Слишком высокие температуры нагрева под за-

калку могут привести также к росту зерна до недопустимых размеров.

Таблица 2.1

Режимы закалки и старения промышленных дисперсионно твердеющих

сплавов на медной основе

Марка сплава

Температура нагрева

под закалку,

Старение

температура,

Свремя, ч

ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 820±10 450 2

БрАЖН10-4-4 980 400 2

БрБ2 760-780 320 2

БрБНТ-1,9 760-780 320 2

БрБНТ-1,7 760-780 320 2

БрБ2,5 800 300 2

БрХ0,5 950-980 400 6

БрЦр0,4 920 450 3

БрЦрХ0,8-0,6 950±I0 450 2

МНА13.-3 900 500 2

MHA6-1,5 900 500 2

Время выдержки определяется полнотой процессов растворения избы-

точных фаз. Чем дисперснее избыточная фаза, тем быстрее она растворяется.

Деформированные сплавы выдерживают меньшее время, чем литые. Если

избыточная фаза полностью не растворена, то получить оптимальные свой-

ства после старения не представляется возможным. Длительные нагревы, по-

мимо задолженности печей, приводят к росту зерна,

сильному окалинообра-

зованию и нежелательному увеличению диффузионной зоны, состоящей из

окислов легирующего элемента.

Продолжительность выдержки деформированных полуфабрикатов и

изделий из них при температурах нагрева под закалку, оцененная из кинети-

ки изотермического растворения избыточных фаз, невелика и составляет 30-

40 с при 810-830

С для сплава ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5; 10-15 с при 770-790

С для бериллиевых бронз и 5 мин при 1030

С для хромовых, циркониевых и

хром циркониевых бронз. Основной лимитирующий фактор при нагреве под

закалу - время прогрева полуфабрикатов до заданной температуры. Практи-

чески продолжительность нагрева выбирают из расчета примерно1 ч на 25

мм сечения полуфабриката. Это время зависит от способа нагрева, атмосфе-

ры печи, геометрии полуфабриката и массы садки. Полосы и ленты

толщи-

ной более 2 мм обычно нагревают в садочных печах, ленты толщиной менее

2 мм - в протяжных.

Охлаждение при закалке должно быть достаточно резким, чтобы ис-

ключить распад пересыщенного матричного раствора в процессе охлажде-

ния. Закалка в воде дает большие остаточные термические напряжения и вы-

зывает поводку и коробление изделия. Поэтому при выборе закалочных сред

следует руководствоваться критическими скоростями.

Качество закаленного металла контролируют металлографически либо

по величине удельной электропроводности.

Температуру и продолжительность старения определяют эксперимен-

тально в

каждом отдельном случае с учетом требуемых свойств конкретного

полуфабриката или изделия. В зависимости от режима, структурных измене-

ний и получаемого комплекса свойств старение подразделяют на полное, не-

полное и стабилизирующее.

Дополнительное повышение прочности медных сплавов и твердости

можно получить холодной деформацией независимо от того, когда ее вести -

между закалкой и

старением или после них. В обоих случаях при одинаковой

степени деформации достигаются одинаковые твердость и прочность. Де-

формация после старения не представляет затруднений, так как материал

достаточно пластичен. При необходимости получения наибольшей электро-

проводности деформация между закалкой и старением более выгодна.

Рассмотрим более детально принципы выбора упрочняющей термиче-

ской обработки бериллиевых

бронз. Растворимость бериллия в меди при 870

С составляет приблизительно 2,3% (по массе) и падает до 0,2% при комнат-

ной температуре. При закалке с высоких температур в бериллиевых бронзах

фиксируется пересыщенный твердый раствор и они приобретают способ-

ность R старению. Из-за опасности роста зерна сплавы БрБ2и БрБ2,5 нагре-

вают под закалку до температура 770-790

С, а сплавы БНТl,9 и БНТl,7 - до

760-780

С. Повышение температуры нагрева под закалку способствует пре-

сыщению твердого раствора бериллием и вакансиями. Оба эти фактора уско-

ряют распад при последующем старении. Однако пластичность сплавов при

старении снтжается и ухудшается штампуемость.

Критическая скорость охлаждения бериллиевых бронз составляет 30-

С/с. Слишком медленное охлаждение при температурах ниже 580

С при-

водит к образованию по межзеренным границам сетки γ

-фазы. Замедленное

охлаждение между 580 и 260

С обусловливает преждевременное выделение

из твердого раствора фазы - упрочнителя и, следовательно, приводит к

уменьшению способности к последующему старению. Введение в бериллие-

вую бронзу никеля и кобальта заметно замедляет фазовые превращения, а

следовательно, уменьшает критическую скорость охлаждения. Дисперсион-

ное твердение бериллиевых бронз дает возможность получать широкую гам-

му свойств.

Обычно бериллиевые бронзы

подвергают НТМО. Выше приведены оп-

тимальные режимы старения полосы БрБ2 толщиной 0,5 мм, обжатой после

закалки на 40% (табл.2.2):

Таблица 2.2

Оптимальные режимы старения БрБ2,обжатой после закалки на 40 %

Температура старения,

С 315 345 370 400

Время 5ч 1ч 10мин 8мин

Временное сопротивление, МПа 1400 1365 1300 1260

Температура старения,

С 410 435 455 510

Время 6мин 3мин 2мин 1мин

Временное сопротивление, МПа 1220 1120 1050 850

Режимы старения выбирают в зависимости от требуемых физико-

механических свойств. На рис. 2.5 показано влияние времени старения бе-

риллиевой бронзы на временное сопротивление при разных температурах

старения. Полное искусственное старение, обеспечивающее максимальную

прочность, проводится при температуре (320± 10)

С в течение двух часов.

Режимы неполного искусственного старения, обеспечивающие заданный

уровень свойств (пунктир на рис. 2.5), соответствуют восходящим ветвям

кривых 1, 3 и 4 на рис. 3. Его проводят или при сравнительно низких темпе-

ратурах и длительных выдержках (режим 1 - 290

С; 2-3 ч), или при темпера-

туре полного старения, но укороченных выдержках (режим 3 - 320

С; 30-50

мин), и, наконец, при повышенных температурах и коротких выдержках (ре-

жим 4 - 370

С; 7-10 мин). Старение по режиму 1 легко контролируется, но

экономически невыгодно из-за большой длительности процесса. Режим 3 не

требует больших выдержек и прост в технологии в противоположность ре-

жиму 4, где контроль затруднителен. Пepecтaривание, обеспечивающее тот

же уровень свойств, проводят при температурах выше температур полного

старения и длительном времени (режим 2 - 370

С, 1-24 ч). Режимы переста-

ривания соответствуют нисходящей ветви кривой. Длительное перестарива-

ние - легко контролируемый процесс, но требует много времени.

При решении вопроса, какому режиму старения - неполному старению

или перестариванию - отдать предпочтение, следует руководствоваться теми

свойствами, которые являются определяющими в эксплуатации данного из-

делия. Это может быть повышенная ударная вязкость, удовлетворительная

способность

к формоизменению после старения, стабильность в работе, по-

вышенная электро- или теплопроводность, минимальное коробление и де-

формация при старении, высокая коррозионная стойкость и т. д.

Неполное старение приводит к большей пластичности при заданном

уровне прочности. Это связано с·более быстрым ростом в процессе старения

временного сопротивления по сравнению с пределом

текучести. Технологи-

ческое время при неполном старении относительно невелико, и в ряде случа-

ев требуется тщательный его контроль.

Перестаривание облегчает контроль при длительных выдержках, так

как свойства полуфабриката не слишком сильно зависят от времени. Большая

полнота выделения упрочняющей фазы обусловливает более высокий уро-

вень электропроводности γ, минимальный уровень остаточных напряжении,

сравнительно высокий модуль упругости и повышенную пластичность.

Рис. 2.5 Зависимость временного сопротивления бронзы БрБ2 от времени старения при

температурах 290, 320 и 370

С (штриховкой указаны рекомендуемые длительности ста-

рения при разных температурах):1- длительное неполное старение; 2 - перестаривание: 3 -

промежуточное неполное старение; 4 - кратковременное неполное старение

В большинстве случаев термическая обработка продолжительностью

более двух часов экономически невыгодна, а менее 10 мин - не позволяет

осуществлять эффективный контроль.

Ступенчатое или двойное старение можно проводить по двум схемам:

1) неполное старение с последующим повторным старением. Такой процесс

позволяет легко контролировать пластичность, прочность и твердость и за-

ключается в длительном нагреве ниже

320

С или кратковременном выше 320

С с последующим непродолжительным старанием выше первоначальной

температуры; 2) старение на максимальную прочность при высокой темпера-

туре в интервале 320-360

С с последующим длительным старением (8-24 ч)

при 260-290

С. При такой обработке выделяется несколько большее количе-

ство упрочняющей γ- фазы, в результате чего повышают прочность, твер-

дость, электропроводность. Скорость охлаждения после старения не лимити-

0 1 2 3 4 τ, ч

1400

1200

1000

800

600

400

2 3 4

370

320

290

, МПа

руется.

Остаточные напряжения после старения можно уменьшить низкотем-

пературным отжигом без изменения прочности и твердости. Изделие нагре-

вают до 150-200

С в течение 15-30 мин. Эту обработку часто используют для

снятия машинных, правочных или формирующих напряжений и таким обра-

зом стабилизируют форму и размер изделия.

Химический состав, структура, свойства, режим термической обработ-

ки и применение некоторых бронз приведены в табл. 2.3 и 2.4.

Таблица 2.3

Химический состав, структура и свойства некоторых деформируемых бронз

Марка сплава Химический состав, % Структура

МПа

БрОФ 6,5-0,4

деформируемая

Cu – основа; 6-7 Sn; 0,26-

0,4P; 0,1-0,2 Ni; 0,002Mg;

0,02Fe; 0,02 Pb; 0,002Sb;

0,002 Bi; 0,002Al; 0,002Si;

0,03 Zn; ∑ примеси = 0,1%

После литья:

темн.

эвтектоид (св) + Cu

После деформации:

295-440

60-70

БрАЖН 10-4-4

деформируемая

(есть литейная)

Cu – основа;

9,5-11Al; 3,5-5,5Fe; 3,5-

5,5Ni; 0,1Sn; 0,1Si; 0,02 Pb;

0,01 P; 0,3 Zn; 0,3 Mn;

∑ примеси = 0,6

св

+ эвтектоид

(темн.) + железистая

фаза

440-590

35-45

БрХО, 5 де-

формируемая

Листы открытой плавки:

Cu – основа; 0,4-0,7Cr;

0,06Fe; 0,005Pb; 0,015Zn;

0,002Mg; 0,05Si; 0,01 P;

0,01Ni.

+ Cr

230-350

240

БрЦрО, 4 де-

формируемая

Cu – основа; 0,3-0,5Zr; не >

0,03Fe.

+ Cu

270

1 – после отжига (мягкая);

2 – свойства листов холодно- и горячекатаных;

3 – в закаленном состоянии.

Таблица 2.4

Режимы термообработки некоторых деформируемых бронз

Марка

сплава

Режимы термообработки,

Гомогени-

зация

Начало

рекриста.

Рекрист.

отжиг

Низко-

темпер.

отжиг

Закалка

Старение

(отпуск)

БрОФ 6,5-0,4

деформир.

700-750 350-370 600-650 260 - -

БрАЖН 10-4-4

деформир. (есть

- - 700-750 - 980 400