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

Подождите немного. Документ загружается.

Упрочняющая термическая обработка - закалка и старение не нашла

широкого промышленного применения, так как в результате этой обработки

существенно повышается температура перехода из вязкого состояния в хруп-

кое. Кроме того, нет специального оборудования для закалки тугоплавких

металлов с достаточно большой скоростью охлаждения»

Термомеханическая обработка сплавов на основе тугоплавких металлов

позволяет существенно повысить

комплекс их прочностных я пластических

свойств, но она пока не нашла промышленного применения.

Отжиг для снятия напряжений - довольно распространенный вид

термообработки тугоплавких металлов и их сплавов. Остаточные напряжения

в тантале снимаются при 600-800 °С, что составляет 0,27-0,33 Тл/1. Отжиг

ниобия и его сплавов проводят при 1000-1200 °С (0,46-0,54 Тпл)

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения

последствий

внутрикристаллической ликвации с целью повышения технологичности ме-

талла для последующей обработки давлением.

При гомогенизации выравнивается распределение легирующих элемен-

тов и примесей по объему зерна, а также происходит сфероидизация и ук-

рупнение избыточных фаз, в частности карбидов, по границам зерен, что и

вызывает повышение пластичности. Гомогенизацию тугоплавких сплавов

проводят, как правило

, в достаточно глубоком вакууме. Температура и про-

должительность гомогенизационного отжига должны быть достаточными

для выравнивания химического состава по зерну растворения и коагуляции

избыточных фаз. Слишком высокие температуры и длительные выдержки

при' отжиге приводят к охрупчиванию материала из-за роста зерна и более

интенсивной сегрегации в процессе охлаждения на межзеренных границах,

так как суммарная протяженность границ уменьшается.

Дорекристаллизационный (полигонизационный) отжиг применяют для

деформированных полуфабрикатов. Формирование полигонизованной струк-

туры - эффективный способ обеспечения оптимального комплекса свойств

тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Полигонизационный отжиг

приводит к повышению прочности, жаропрочности, пластичности к пониже-

нию температуры хладноломкости тугоплавких металлов. Наиболее сильно

повышается предел упругости металлов

. Температуру дорекристаллизацион-

ного отжига назначают на 50-200 °С ниже температуры начала рекристалли-

зации.

Рекристаллизацинный отжиг резко повышает температуру хладно-

ломкости металлов V I A подгруппы (Сг, МО, W) и сплавов на их основе из-

за образования сильных сегрегации примесей внедрения в приграничных

объемах или из-за формирования неметаллических прослоек по границам зе-

рен. Поэтому рекристализационный

отжиг как окончательную термическую

обработку для этих материалов не применяют, если в условиях их работы

может развиваться хладноломкость. Если же необходимо снять нагартовку

перед последующей горячей обработкой давлением, то рекристаллизацион-

ный отжиг желателен, если он обеспечивает мелкое зерно. Металлы под-

группы VA(V, Nb, Ta) многие сплавы на их основе, а также молибденовые

сплавы систем Мо - Rе и Мо-W-Rе. не охрупчиваются в результате рекри-

сталлизационного отжига при не слишком высоких температурах. Эти мате-

риалы теряют пластичность лишь

после собирательной или вторичной рек-

ристаллизации, когда сильно увеличиваются размеры зерна. Режимы рекри-

сталлияациоиного отжига выбирают таким образом, чтобы полностью за-

вершилась первичная рекристаллизация, но укрупнения зерна из-за собира-

тельной или вторичной рекристаллизации не произошло. Температура рекри-

сталлизационного отжига обычно на 100-300 °С выше температуры начала

рекристаллизации.

Закалка и старение -

упрочняющая термическая обработка сплавов на

основе тугоплавких металлов основана на переменной,, уменьшающейся с

понижением температуры растворимости легирующих элементов в матрице

сплава. Непременным легирующим элементом термически упрочняемых

промышленных сплавов тугоплавких металлов является углерод, так что эф-

фекты термического упрочнении связаны с растворением при нагреве под за-

калку карбидов, фиксацией пересыщенного твердого раствора

при охлажде-

нии и выделением при старении из пересыщенного раствора карбидов в бо-

лее дисперсной форме. Рассмотрим процессы, протекающие при упрочняю-

щей термической обработке сплава ЦМ5:Мо+0,5%Zr+0,06%C. В сплавах на

основе тугоплавких металлов пересыщенные твердые растворы образуются

при охлаждении с печью. После рекристаллизационного отжига при 2100 °С

в вакууме скорость охлаждения

образцов сплава ЦМ5 сразу после отключе-

ния нагревателя печи составляет около 800 0С/мин. Скорость охлаждения

оказывается достаточной для частичной фиксации пересыщенных растворов,

то есть фактически происходит закалка. В процессе охлаждения в вакуумной

печи в некоторых сплавах может произойти частичный распад пересыщенно-

го твердого раствора, в связи с чем закалку в этом

случае называют непол-

ной. Структура сплава ЦМ5 после закалки - пересыщенный твердый раствор

и карбид молибдена МО2С. При старении карбид МО2С частично раство-

ряется, а из твердого раствора выделяется карбид ZrC , обеспечивающий при

старении значительно большее упрочнение, чем карбид MO2C . Наибольшее

упрочнение сплава ЦМ5 достигается в результате старения при температуре

1500 °С

Способы защиты тугоплавких металлов и сплавов на их основе от взаи-

модействия с активными газами

Нагрев производят в нейтральных газах и в вакууме. Наиболее широко

применяют аргон. Вольфрам, молибден и их сплавы можно нагревать не

только в аргоне, но и в водороде, а также в более дешевой и менее взрыво-

опасной, чем водород, атмосфере: 75%Н + 25%N , содержащей менее 0,004%

О и менее 0,001% паров воды. Термическая обработка в вакууме в еще боль-

шей степени, чем обработка в защитной атмосфере, обеспечивает высокую

чистоту поверхности. Термическая обработка тугоплавких металлов в вакуу

ме предохраняет их от окисления.

Для защиты слитков и заготовок из тугоплавких металлов от взаимо-

действия с газами при нагреве под горячую обработку давлением (и термиче-

скую обработку) используют защитные обмазки.

Основные свойства, состав и структура вольфрама марки ВА

Основные свойства вольфрама марки ВА даны в таблице 5.2.

Таблица 5.2

Основные

свойства вольфрама

Свойство Значение

Атомный номер

Атомная масса

183,85

Тип кристаллической решетки

ОЦК

Параметр элементарной ячейки, нм 0,31652

Плотность, г /см

Температура плавления, °С

19,3

3380

Температура кипения, °С

Электросопротивление, мкОм.см

5900

5,5

Температура рекристаллизации, °С

при большой степени деформации

1250

, МПа

вольфрам высокой чистоты

вольфрам технической чистоты

500-600

800-1100

δ, %

вольфрам высокой чистоты

вольфрам технической чистоты

13,50

Нелегированный вольфрам широко применяют как жаропрочный мате-

риал. Обычно его используют в нагартованном состоянии или после отжига

для снятия напряжения: 1000 °С/ I час. Рекристаллизационный отжиг резко

ухудшает пластичность вольфрама и повышает температуру перехода из вяз-

кого состояния в хрупкое. Очень высокая прочность (σ

) у нагартованной

вольфрамовой проволоки. С уменьшением ее диаметра от 0,635 до 0,025 мм

прочность вольфрама увеличивают от 1575 до 4270 МПа. Отжиг проволоки

при 650 °С приводит к снятию внутренних напряжений. Дальнейшее повы-

шение температуры отжига приводит к сильному разупрочнению вольфрама.

Прочность рекристаллизованной проволоки составляет 1000-1100 МПа.

В электровакуумной промышленности используют чистый вольфрам

марки ВЧ и специальные его сорта марок ВА, ВК, ВМ и ВТ. К этим материа

лам предъявляют ряд специфических требований: вольфрамовая проволока,

применяемая для нитей накаливания, не должна провисать. Для обеспечения

устойчивости формы изделий при высоких температурах в вольфрам вводят

специальные присадки, которые повышают температуру рекристаллизации и

обеспечивают получение нужной структуры в рекристаялизованном состоя-

нии. Такими присадками в вольфраме марки ВА являются:0,01% К

О + 0,02-

0,05% SiO

+ 0,001-0,003 % Al

. Указанные присадки вводят в вольфрам

методами порошковой металлургии. При высокотемпературном нагреве в

процессе получения проволоки по границам зерен образуются поверхностно

активные вещества, которые снижают поверхностную энергию межзеренных

границ и тем самым уменьшают склонность металла к рекристаллизации и

связанному с ней разупрочнению. В марке ВА образуется поверхностно ак-

тивный по отношению

к металлу алюмосиликат калия.

В рекристаллизованном вольфраме указанные присадки приводят к

возникновению "стапельной" структуры, для которой характерны вытянутые

длинные кристаллы с малым углом наклона их границ к оси проволоки. Та-

кая структура обеспечивает высокую устойчивость формы изделий и их пла-

стичность.

Порядок выполнения работы

I. Обосновать выбор технологической схемы и

режимов термической

обработки вольфрама, марки BA.

2. Работу выполнить на образцах проволоки (готовые шлифы) из

вольфрама марки ВА. Познакомиться с основными свойствами вольфрама, а

также с составом вольфрама марки ВА.

3. Познакомиться с технологией изготовления проволоки из вольфрама

марки ВА:

3.1. Промежуточная термообработка проволоки при 1700 0С (первич-

ная рекристаллизация). Нагрев в трубчатой печи

в водородной среде.

3.2. Деформация со степенью 7% + отжиг при 2500 °С (отжиг, увели-

чивающий зерно). Нагрев в электрической камерной печи в среде водорода.

Получают проволоку диаметром 154 мкм. Структура после такой обработки

соответствует той, которая должна быть в нити накаливания электролампы.

Рабочая температура нити накаливания составляет 2500 °С.

4. Познакомиться с ГОСТом 19671-91 "Проволока вольфрамовая для

источников света". Изучить структуру образцов и сравнить ее на соответст-

вие ГОСТу.

5. Определять качество вольфрамовой проволоки после отжига; увели-

чивающего зерно (2500 °С), то есть определить отношение дины зерна к

диаметру проволоки. Чем больше это отношение, тем качественнее проволо-

ка, тем дольше она работает. Минимальное

отношение равно трем: ниже ~

брак. Ознакомиться с техническими условиями "Проволока вольфрамовая

для источников света". Провести обработку результатов измерений. Оценку

качества вольфрамовой проволоки дать в баллах (см. табл.5.3)

Таблица 5.3

Оценка качества вольфрамовой проволоки

Отношение длины

зерна к диаметру

проволоки, среднее

Назначение

проволоки

Оценка

качества про-

волоки, балл

Менее 3 брак 2

для низкотемпературных ламп с рабочей темпе-

ра

урой 1700-2000

для среднетемпературных ламп с рабочей темпе-

ратурой 2500

С (кинолампы)

более 15

для высокотемпературных галогенных ламп с ра-

бочей температурой 2900-3000 0С

6. Проанализировать полученные результаты. Сделать выводы по ра-

боте:

- объяснить выбор температур отжигов, используемых при получении

проволоки из вольфрама марки ВА;

- оценить качество полученной вольфрамовой проволоки и указать ее

наиболее рациональное применение.

7. Оформить отчет.

8. Познакомиться с вопросами для самостоятельной подготовки.

Оборудование, инструменты, материалы

Образцы вольфрамовой проволока марки ВА

(готовые шлифы). Мик-

роскоп МИМ-7. Окуляр-микрометр. Объектив-микрометр. ГОСТ 19671-91

"Проволока вольфрамовая для источников света". Технические условия

"Проволока вольфрамовая для источников света".

Требования к отчету

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

2.Указать цель работы.

3. Привести сведения с составе материала, технологии получения про-

волоки, применении вольфрама марки ВА.

4. Описать используемые приборы и приспособления.

5. Полученные результаты измерений занести в табл.5.4.

Таблица 5.4

Определение качества и назначения вольфрамовой проволоки

Длина зер-

на, (l), мкм

Диаметр

проволоки,

d , мкм

l/d l/d ,

среднее

Оценка каче-

ства проволо-

ки, балл

Назначение

проволоки

6. Дать анализ полученных результатов. Сделать выводы по работе.

7. Указать использованную литературу.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие металлы относят к тугоплавким?

2. Особенности тугоплавких металлов и их сплавов?

3. Причины хладноломкости тугоплавких металлов?

4. Структура сплавов на основе тугоплавких металлов?

5. Виды термической обработки?

6. Объясните назначение и технологию отжига для

снятия напряжений.

7. Объясните назначение и технологию гомогенизационного отжига.

8. Объясните назначение и технологию дорекристаллизационного от-

жига.

9. Объясните назначение и технологию рекристаллизационного отжига.

10. Какие процессы протекают при закалке к старении сплавов?

11. Каковы способы защиты тугоплавких металлов и их сплавов от

взаимодействия с активными газами?

12. Каков состав вольфрама марки ВА? Как

его получают?

13. Какова технология получения проволоки из вольфрама?

14. Как оценивают качество отожженной вольфрамовой проволоки?

Литература

1. 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.

2. Свойства элементов. Ч 1. Физические свойства [Текст]: справочник/

под ред. Г.В.Самсонова. – 2-е изд. – М.:

Металлургия, 1976.-600 с.

3. 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.

4. 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.

5. Мальцев,М.В. Металлография тугоплавких, редких и радиоактивных

металлов и сплавов [Текст]/М.В.Мальцев. - М.: Металлургия, 1971.-488 с.

6. Мальцев,М.В. Термическая обработка тугоплавких, редких металлов

и их сплавов [Текст]/М.В.Мальцев. - М.: Металлургия, 1974.-344 с.

7. 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.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Лабораторная работа 1. Металловедение и термическая

обработка латуней………………………………………..………………...2

Лабораторная работа 2. Металловедение и термическая

обработка бронз……………………………..…………………………….13

Лабораторная работа 3. Металловедение и термическая

обработка алюминиевых сплавов……………..…………………............23

Лабораторная работа 4. Металловедение и термическая

обработка титановых сплавов …………….…………………………….53

Лабораторная работа 5. Металловедение и термическая

обработка тугоплавких металлов и сплавов на

их основе……………………………………………………………..……69