Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Г. А. Меркулова

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Учебное пособие

Красноярск

2008

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

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, структу-

ре, свойствах и применении ряда цветных металлов и их сплавов. Рассмотрены медь,

алюминий, магний, титан, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, бериллий, никель, бла-

городные металлы, торий, уран, плутоний и их сплавы.

Для студентов специальной и магистерской подготовки образовательного на-

правления 150100 «Металлургия» специализации 150105 «Металловедение и термиче-

ская 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

Подп. в печать Формат 60×84/16 Бумага тип. № ... ............... печать.

Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж экз. Заказ

Сибирский федеральный университет;

660074, Красноярск, ………………

ISBN © Сибирский федеральный университет, 2008

ВВЕДЕНИЕ

В глубокой древности люди вначале использовали металлы, кото-

рые встречались в чистом виде – медь и золото. Материалы определяли ис-

торическую эпоху: каменный, бронзовый, железный века.

По общепринятой классификации железо является черным метал-

лом, а все остальные – цветными, которые можно разделить на легкие, тя-

желые, тугоплавкие, а также благородные и

радиоактивные.

Металлы входили в жизнь человека постепенно в течение некоторо-

го переходного периода между каменным векам и веком металлов. Сотни

тысяч лет назад люди пользовались «инструментами» из камня. Затем ста-

ли 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 сар-

кофаг фараона Тутанхамона. Много золота было у древних инков.

Историки выделяют каменно-медный век, когда оружие и инстру-

менты делали из меди, но еще использовали кремневые орудия. Первые

мелкие медные изделия (наконечники для стрел и копий) ковали из най-

денных 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

с ними обращаться не были всеобщим достоянием. Круг посвященных

был узок.

При всех своих достоинствах медь имела и существенный недоста-

ток: медные орудия и инструменты быстро затуплялись.

В бронзовом веке люди стали использовать сплав меди и олова –

оловянную бронзу. Медь легировали также

свинцом, мышьяком и сурь-

мой. Бронзы, по сравнению с медью, имеют лучшие литейные свойства,

большую твердость и прочность, сильнее упрочняются в результате хо-

лодной деформации. Техника металлургии и металлообработки развилась

довольно поздно, по сравнению с гончарным делом и ткачеством, и с само-

го начала находилась в руках специалистов. Считается, что в

Египте брон-

зовые изделия стали изготавливать в начале ІІ тысячелетия до н.э. Во ІІ тыся-

челетии до н.э. стали использовать бронзу и в Европе. На среднем Востоке

бронзовый век начался несколько раньше.

Большой спрос на ценную бронзу стимулировал развитие горного

дела, а также торговли. Очаги бронзовой культуры возникали и развива-

лись во многих уголках древнего мира.

Из бронзового века дошло до нас немало выдающихся изделий ре-

месла 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 увлече-

ния алхимией сурьма приобрела особое значение, прежде всего потому,

что в расплавленном виде она хорошо растворяет многие другие металлы –

«пожирает» их.

В древности 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 испаряет-

ся, а на изделии остается слой золота. В наше время от такого процесса ог-

невого золочения отказались, потому что пары ртути чрезвычайно вредны

для здоровья.

Сплав меди с цинком называют

латунью. По виду латунь напоми-

нает золото. Латунь применяли еще во времена Гомера (VІІІ в. до н.э.). В

древности сплавляли медь с цинковой рудой. И в Риме при императоре Ав-

густе (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) обрабатыва-

ли 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 продолжается

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 ли-

тых сплавов алюминия с медью в результате закалки возрастает в 1,5 раза.

В 1906 г. немецкий инженер А. Вильм (1869–1937) на изобретенном

им дуралюмине открыл старение после закалки – один из основных спосо-

бов упрочнения сплавов. В 1919 г. американский металловед П. Мерика

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

(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 анали-

за совершенствовались старые и разрабатывались новые способы термооб-

работки, 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. Фринд-

ляндера, И.И Новикова, В.И Елагина, В.А. Ливанова, Б.А. Колачева, Р.М. Га-

бидуллина, 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 воз

растает с каждым годом. Кроме металлургии, машиностроения, судострое-

ния и других давно сложившихся областей техники, металлические мате-

риалы этой группы применяют в приборостроении, электронной, ядерной,

криогенной технике, радиотехнике, авиации, космонавтике, медицине.

Предложенное учебное пособие написано в соответствии с учеб-

ной программой дисциплины «Металловедение и термическая обработка

цветных сплавов» и предназначено

студентам выпускного курса специ-

альной подготовки, а также магистрантам. Поскольку студенты уже изу-

чили такие дисциплины, как «Кристаллография и дефекты кристалличе-

ского 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., Чи-

вировой М.Г., Агапитову С.В., Бартош И.И.

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Термическая обработка включает нагрев металла или сплава до

выбранной температуры, выдержку при этой температуре в течение за-

данного 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 температурно-

временных параметров термической обработки, но и выбор способа нагре-

ва, атмосферы печи, охлаждающей среды. Нагрев можно осуществлять

конвекцией, излучением, электроконтактным и индукционным методами, в

расплавленных солях.

Выбор атмосферы печи определяется интенсивностью взаимодей-

ствия металлов и сплавов с газами. Термическая обработка некоторых ме

таллов на воздухе недопустима из-за интенсивного взаимодействия их с

кислородом и парами воды.

Выбор охлаждающей среды обуславливается видом термообработ-

ки. При некоторых видах термообработки цветных металлов скорость ох-

лаждения не играет существенной роли. В ряде случаев выбор допустимой

скорости нагрева и охлаждения определяется геометрией и размерами из-

делия.

Выбирая

режим упрочняющей термической обработки, необходимо

учитывать прокаливаемость сплавов.

При выборе режимов термической обработки термически упроч-

няемых сплавов важное значение имеют диаграммы изотермических пре-

вращений. Они позволяют дать научное обоснование режимов закалки,

старения, отжига.

Титановые сплавы, обладающие высокой склонностью к водород-

ной хрупкости, подвергают вакуумному отжигу для снижения содержания

водорода до безопасного

уровня. Вакуумный отжиг можно ввести на за-

ключительных этапах обработки давлением или на последней стадии по-

лучения готового изделия. Это зависит от типа сплава и технологии произ-

водства изделий.

1.1. Способы нагрева

и охлаждения

Наиболее широко применяют печи электросопротивления и пла-

менного нагрева, в которых тепло нагреваемому телу передается конвек-

цией и излучением.

При индукционном нагреве тело помещают в переменное магнит-

ное поле, которое возбуждает в теле электрический ток вследствие элек-

тромагнитной индукции. Этот ток и нагревает тело. Применение индукци-

онного способа нагрева наиболее

целесообразно при термообработке дета-

лей сравнительно простой формы при крупносерийном производстве.

При контактном нагреве заготовка нагревается проходящим через

нее током большой силы. Быстрый и равномерный нагрев заготовок, ис-

ключающий сильное окисление и значительный рост зерна, делает этот

способ наиболее высокопроизводительным и рациональным при нагреве

длинномерных изделий.

При термической обработке цветных

металлов широкое примене-

ние нашли печи-ванны. В качестве нагревательной среды в них использу-

ют 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

воде: 5 %-й, 10–15 %-е; вода при 15–30

С; жидкий азот; гелий); 2) сред-

недействующие охладители (расплавленные соли, щелочи, металлы, рас-

тительные и минеральные масла); 3) слабодействующие (струи сухого воз-

духа и паро-воздушных смесей, вода при 80–90

С; мыльная вода и др.).

Охлаждающая способность охладителя зависит от его скрытой теп-

лоты испарения, теплоемкости и вязкости. При погружении изделия с вы-

сокой температурой в охлаждающую среду с низкой температурой кипе-

ния на поверхности изделия наблюдается паровая пленка. По мере пони-

жения температуры паровая пленка разрывается, при этом интенсивно об

разуются пузырьки пара, и интенсивность охлаждения резко возрастает.

При последующем охлаждении тепло передается конвекцией от поверхно-

сти изделия к охлаждающей среде.

Охлаждение в воде. Циркуляция воды повышает скорости охлаж-

дения в области высоких температур. Повышение скоростей охлаждения в

области низких температур приводит к увеличению остаточных напряже-

ний, и поэтому нагрев воды в закалочных баках ограничивается темпера-

турами 25–45

С.

Охлаждение в водных растворах и эмульсиях. Незначительное ко-

личество примесей существенно изменяет охлаждающую способность во-

ды. 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

выше, чем воды. Скорости охлаждения в масле при повышенных темпера-

турах в 5–8 раз меньше, чем в воде. Масла пониженной вязкости обладают

более высокой охлаждающей способностью по сравнению с маслами по-

вышенной и высокой вязкости.

Закалка в расплавленном свинце, солях и щелочах. Расплавленный

свинец удовлетворяет требованиям теплотехники, но дефицитен, а испаре

ния 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 щело-

чах 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 переда-

ется излучением и конвекцией. Интенсивность конвективного теплообмена

при вынужденном движении воздуха или газа зависит от скорости движе-

ния газа, его физических свойств и геометрии нагреваемых или охлаждае-

мых изделий.

1.2. Термические напряжения

Нагрев и охлаждение металла при термической обработке вызыва-

ют появление внутренних напряжений в изделии, которые называют тер-

мическими напряжениями. Величина и характер распределения этих на-

пряжений изменяются в течение процесса нагрева или охлаждения. На-

пряжения в изделии, соответствующие определенному моменту времени

нагрева или охлаждения, называют временными. После полного выравни-

вания

температуры при охлаждении или нагреве в объеме сохраняются

внутренние напряжения, которые называют остаточными.

Основная причина возникновения термических напряжений – не-

одинаковые 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 превра-

щения протекают неодновременно по всему объему изделий. Такие

напря-

жения 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 по-

верхностных слоях выше, чем в центральных. На конечных стадиях ско-

рость

нагрева центральных слоев превышает скорость нагрева периферий-

ных слоев (рис. 1.1). Таким образом, максимальная величина временных

напряжений соответствует моменту времени, когда скорости нагрева пе-

риферийных и центральных слоев выравниваются. Этому моменту времени

соответствует и максимальный перепад температур периферии и центра.

а б в

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 аналогич-

ным образом, но знак их изменяется по сравнению со случаем нагрева.

Рассмотрим теперь возникновение напряжений при нагреве и охла-

ждении тел сложной конфигурации в упругой области. На рис. 1.2 показа-

ны разнотолщинное изделие и температурные кривые нагрева тонкого Ι и

массивного ΙΙ частей сечения. Тонкая

часть сечения при всестороннем на-