Термическая обработка цветных сплавов. Латунь и ее свойства Как закалить латунь в домашних условиях

Закалка металла позволяет произвести некоторые изменения в его структуре, сделав ее более мягкой или наоборот твердой. При закалке очень многое зависит не только от самого нагрева, но и от процесса и времени охлаждения. В основном производители производят закалку стали, делая изделие более прочным, однако, может быть произведена и закалка меди, если возникает такая необходимость.

Закалка меди – производственный процесс

Закалка меди производится при помощи использовании метода отжига. Во время термообработки медь можно сделать более мягкой или более твердой в зависимости от того, для чего она будет применяться в дальнейшем. Однако важно помнить, что способ закалки меди значительно отличается от того, при помощи которого закаливается сталь.

Закалка меди происходит при медленном остывании в воздушной среде. Если необходимо получить более мягкую структуру, тогда закалка производится при быстром охлаждении металла в воде сразу же после нагрева. Если нужно получить очень мягкий металл, то следует нагреть медь до красна (это примерно 600°), а затем опустить в воду. После того, как изделие пройдет процесс деформации и приобретет необходимую форму, его можно будет снова нагреть до 400°, а затем позволить остыть в воздушной среде.

Установка для закалки меди

Закалка меди производится в специальном оборудовании, предназначенном для этого. Существует несколько видов установок для закалки, но наиболее популярным на сегодняшний день стало индукционное оборудование. Индукционная установка отлично подходит для закалки меди, позволяя получить изделие высокого качества. Благодаря автоматизированному программному обеспечению ТВЧ оборудования, оно настраивается с высокой точностью, где указывается время нагрева, температура, а также способ охлаждения металла.

Если предприятие постоянно производит закалку металлических изделий, то лучше всего будет обратить внимание на специальный комплекс оборудования, созданный для комфортной быстрой закалки. Закалочный комплекс ЭЛСИТ обладает всем необходимым оборудованием для закалки ТВЧ . В комплект закалочного комплекса входит: индукционная установка, закалочный станок , манипулятор и модуль охлаждения. Если заказчику необходимо производить закалку изделий, имеющих разную форму, то в комплектацию закалочного комплекса может быть включен набор индукторов различных размеров.

Отжиг и закаливание дюралюминия

Отжиг дюралюминия производят для снижения его твердости. Деталь или заготовку нагревают примерно до 360° С, как и при закалке, выдерживают некоторое время, после чего охлаждают на воздухе. Твердость отожженного дюралюминия почти вдвое ниже, чем закаленного. Приближенно температуру нагрева дюралюминиевой детали можно определить так. При температуре 350--360° С деревянная лучина, которой проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точно температуру детали можно определить с помощью небольшого (со спичечную головку) кусочка медной фольги, который кладут на ее поверхность. При температуре 400° С над фольгой появляется небольшое зеленоватое пламя. Отожженный дюралюминий обладает небольшой твердостью, его можно штамповать и изгибать вдвое, не опасаясь появления трещин. Закаливание. Дюралюминий можно подвергать закаливанию. При закаливании детали из этого металла нагревают до 360--400° С, выдерживают некоторое время, затем погружают в воду комнатной температуры и оставляют там до полного охлаждения. Сразу после этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную же твердость он приобретает спустя три-четыре дня. Его твердость (и одновременно хрупкость) увеличивается настолько, что он не выдерживает изгиба на небольшой угол. Наивысшую прочность дюралюминий приобретает после старения. Старение при комнатных температурах называют естественным, а при повышенных температурах--искусственным. Прочность и твердость свежезакаленного дюралюминия, оставленного при комнатной температуре, с течением времени повышается, достигая наивысшего уровня через пять--семь суток. Этот процесс называется старением дюралюминия

Отжиг меда и латуни

Отжиг меди. Термической обработке подвергают и медь. При этом медь можно сделать либо более мягкой, либо более твердой. Однако в отличие от стали закалка меди происходит при медленном остывании на воздухе, а мягкость медь приобретает при быстром охлаждении в воде. Если медную проволоку или трубку нагреть докрасна (600°) на огне и затем быстро погрузить в воду, то медь станет очень мягкой. После придания нужной формы изделие вновь можно нагреть на огне до 400° С и дать ему остыть на воздухе. Проволока или трубка после этого станет твердой. Если необходимо выгнуть трубку, ее плотно заполняют песком, чтобы избежать сплющивания и образования трещин. Отжиг латуни позволяет повысить ее пластичность. После отжига латунь становится мягкой, легко гнется, выколачивается и хорошо вытягивается. Для отжига ее нагревают до 500° С и дают остыть на воздухе при комнатной температуре.

Воронение и «синение» стали

Воронение стали. После воронения стальные детали приобретают черную или темно-синюю окраску различных оттенков, они сохраняют металлический блеск, а на их поверхности образуется стойкая оксидная пленка; предохраняющая детали от коррозии. Перед воронением изделие тщательно шлифуют и полируют. Поверхность его обезжиривают промывкой в щелочах, после чего изделие прогревают до 60-- 70° С. Затем помещают его в печь и нагревают до 320--325° С. Ровная окраска поверхности изделия, получается только при равномерном его прогреве. Обработанное таким образом изделие быстро протирают тряпкой, смоченной в конопляном масле. После смазки изделие снова слегка прогревают и вытирают насухо. «Синение» стали. Стальным деталям можно придать красивый синий цвет. Для этого составляют два раствора: 140 г гипосульфита на 1 л воды и 35 г уксуснокислого свинца («свинцовый сахар») также на 1 л воды. Перед употреблением растворы смешивают и нагревают до кипения. Изделия предварительно очищают, полируют до блеска, после чего погружают в кипящую жидкость и держат до тех пор, пока не получат желаемого цвета. Затем деталь промывают в горячей воде и сушат, после чего слегка протирают тряпкой, смоченной касторовым или чистым машинным маслом. Детали, обработанные таким способом, меньше подвержены коррозии.

Отжиг и нормализация стали

Отжиг - процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода - изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды:полный, неполный, изотермический отжиги.

Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

Возврат (отдых) стали - нагрев до 200 - 400o, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.

Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) - нагрев до температур 500 - 550o; отжиг для снятия внутренних напряжений - нагрев до температур 600 - 700o. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600o .

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.

Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.

Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком.

Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).

Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его - улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50 o выше температуры линии GSK и медленно охлаждают.

После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.

При отжиге стали на пластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20o в час.

Рис. 1.

Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали (рис. 1), получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке.Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита.

Рис. 2.

Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется.

Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.

Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.

Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите (рис. 2).

Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.

Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1 (рис. 3), затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический - всего 4-7 ч. Схема изотермического отжига приведена на рис. 7.

Рис. 3.

Разновидностью полного отжига является нормализация, заключающаяся в нагреве стали на 30--50°С выше линии GSE, выдержке при этих температурах с последующим охлаждением на воздухе. Цель нормализации -- снятие остаточных напряжений в металле и выравнивание его структуры.

Необходимость термической обработки.

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо, наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг . В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Цвет каления: стали	Температура нагрева "С
Темно-коричневый (заметен в темноте)	530-580
Коричнево-красный	580-650
Темно-красный	650-730
Темно-вишнево-красный	730-770
Вишнево-красный	770-800
Светло-вишнево-красный	800-830
Светло-красный	830-900
Оранжевый	900-1050
Темно-желтый	1050-1150
Светло-желтый	1150-1250
Ярко-белый	1250-1350

Закалка стальных деталей.

Закалка придает стальной детали большую твердость и износоустойчивость. Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объем материала прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или воде (углеродистые стали). Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880-900° С (цвет каления светло-красный), из инструментальных-до 750-760° С (цвет темно-вишнево-красный), а из нержавеющей стали-до 1050-1100° С (цвет темно-желтый). Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500° С), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.

В ремонтной практике применяют в основном охлаждение в одной среде (масле или воде), оставляя в ней деталь до полного остывания. Однако этот способ охлаждения непригоден для деталей сложной формы, в которых при таком охлаждении возникают большие внутренние напряжения. Детали сложной формы сначала охлаждают в воде до 300-400° С, а затем быстро переносят в масло, где и оставляют до полного охлаждения. Время пребывания детали в воде определяют из расчета: 1 с на каждые 5-6 мм сечения детали. В каждом отдельном случае это время подбирают опытным путем в зависимости от формы и массы детали.

Качество закалки в значительной степени зависит от количества охлаждающей жидкости. Важно, чтобы в процессе охлаждения детали температура охлаждающей жидкости оставалась почти неизменной, а для этого масса ее должна быть в 30-50 раз больше массы закаливаемой детали. Кроме того, перед погружением раскаленной детали жидкость необходимо тщательно перемешать, чтобы выровнять ее температуру по всему объему.

В процессе охлаждения вокруг детали образуется слой газов, который затрудняет теплообмен между деталью и охлаждающей жидкостью. Для более интенсивного охлаждения деталь необходимо постоянно перемещать в жидкости во всех направлениях.

Небольшие детали из малоуглеродистых сталей (марки «3О», «35», «40») слегка разогревают, посыпают железосинеродистым калием (желтая кровяная соль) и вновь помещают в огонь. Как только обсыпка расплавится, деталь опускают в охлаждающую среду. Железосинеродистый калий расплавляется при температуре около 850° С, что соответствует температуре закалки этих марок стали.

Отпуск закаленных деталей.

Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150-250° С (цвет побежалости-светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300-500° С и затем медленно охлаждают.

И наконец, высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренние напряжения. В этом случае температура нагрева еще выше-500-600° С.

Термообработку (закалку и отпуск) деталей простой формы (валики, оси, зубила, кернеры) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.

Небольшой участок детали быстро зачищают абразивным брусочком и следят за сменой цветов побежалости на нем. Когда появится цвет, соответствующий необходимой температуре отпуска (220° С- светло-желтый, 240° С-темно-желтый, 314° С-светло-синий, 330° С- серый), деталь вновь погружают в жидкость, теперь уже до полного охлаждения. При отпуске небольших деталей (как и при закалке) нагревают какую-нибудь болванку и на нее кладут отпускаемую деталь. При этом цвет побежалости наблюдают на самой детали.

Отжиг стальных деталей.

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига. Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900° С, выдерживают при этой температуре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературным отжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500-600° С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некоторого уменьшения твердости стали применяют неполный отжиг - нагрев до 750-760° С и последующее медленное (также вместе с печью) охлаждение.

Отжиг используется также при неудачной закалке или при необходимости перекаливания инструмента для обработки другого металла (например, если сверло для меди нужно перекалить для сверления чугуна). При отжиге деталь нагревают до температуры несколько ниже температуры, необходимой для закалки, и затем постепенно охлаждают на воздухе. В результате закаленная деталь вновь становится мягкой, поддающейся механической обработке.

Отжиг и закаливание дюралюминия.

Твердость отожженного дюралюминия почти вдвое ниже, чем закаленного.

Приближенно температуру нагрева дюралюминиевой детали можно определить так. При температуре 350-360° С деревянная лучина, которой проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точно температуру детали можно определить с помощью небольшого (со спичечную головку) кусочка медной фольги, который кладут на ее поверхность. При температуре 400° С над фольгой появляется небольшое зеленоватое пламя.

Отожженный дюралюминий обладает небольшой твердостью, его можно штамповать и изгибать вдвое, не опасаясь появления трещин.

Закаливание. Дюралюминий можно подвергать закаливанию. При закаливании детали из этого металла нагревают до 360-400° С, выдерживают некоторое время, .затем погружают в воду комнатной температуры и оставляют там до полного охлаждения. Сразу после этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную же твердость он приобретает спустя три-четыре дня. Его твердость (и одновременно хрупкость) увеличивается настолько, что он не выдерживает изгиба на небольшой угол.

Наивысшую прочность дюралюминий приобретает после старения. Старение при комнатных температурах называют естественным, а при повышенных температурах-искусственным. Прочность и твердость свежезакаленного дюралюминия, оставленного при комнатной температуре, с течением времени повышается, достигая наивысшего уровня через пять-семь суток. Этот процесс называется старением дюралюминия

Отжиг меда и латуни.

Если необходимо выгнуть трубку, ее плотно заполняют песком, чтобы избежать сплющивания и образования трещин.

Отжиг латуни позволяет повысить ее пластичность. После отжига латунь становится мягкой, легко гнется, выколачивается и хорошо вытягивается. Для отжига ее нагревают до 500° С и дают остыть на воздухе при комнатной температуре.

Воронение и «синение» стали.

«Синение» стали. Стальным деталям можно придать красивый синий цвет. Для этого составляют два раствора: 140 г гипосульфита на 1 л воды и 35 г уксуснокислого свинца («свинцовый сахар») также на 1 л воды. Перед употреблением растворы смешивают и нагревают до кипения. Изделия предварительно очищают, полируют до блеска, после чего погружают в кипящую жидкость и держат до тех пор, пока не получат желаемого цвета. Затем деталь промывают в горячей воде и сушат, после чего слегка протирают тряпкой, смоченной касторовым или чистым машинным маслом. Детали, обработанные таким способом, меньше подвержены коррозии.

ЛАТУНИ

Латуни являются самыми распространенными сплавами на основе меди. Сводный перечень стандартных латуней по ГОСТ 15527 и их зарубежных аналогов приведен в табл. 1.

Диаграмма состояния сплава системы медь-цинк приведена на рис. 1

И зменения температуры испарения, плавления и литья медно-цинковых сплавов в зависимости от содержания цинка - на рис. 2.

Изменение модуля нормальной упругости медноцинковых сплавов в зависимости от содержания цинка - рис. 3.

Основные параметры интерметаллических фаз сплавов системы Cu - Zn приведены в табл. 2.

При переходе из неупорядоченной β-фазы в упорядоченную β’-фазу в указанном интервале температур происходит уменьшение коэффициента взаимной диффузии и скорости роста фазы. Энергия активации взаимной диффузии β’-фазе возрастает, а в β-фазе уменьшается с ростом концентрации цинка, при этом она примерно в 1,5 раза больше в β’-фазе, чем в β-фазе. Парциальные коэффициенты диффузии атомов Zn в 2 раза больше, чем атомов Cu в разупорядоченной β-фазе, и почти совпадают с упорядоченной β’-фазой.

Практическое применение имеют простые латуни, имеющие фазовый состав α, α + β, β и β + γ .

Химический состав латуней, обрабатываемых давлением, по отечественным приведен в прил. 1.

ПРОСТЫЕ ЛАТУНИ

Простые латуни в зависимости от фазового состава делятся на два типа: однофазные α (до 33 % Zn ) и двухфазные α + β (свыше 33% Zn ).

В однофазных латунях, содержание цинка в которых близко к пределу насыщения, иногда присутствуют небольшие количества β-фазы в результате медленно протекающих диффузионных процессов. Однако включения /3-фазы, наблюдаемые в очень малых количествах, не оказывают заметного влияния на свойства α -латуней. Таким образом, хотя у этих латуней структура и является двухфазной, но по своим физико-механическим и технологическим свойствам их целесообразно отнести к однофазным латуням.

Обработка давлением простых латуней

Однофазные (а) латуни при горячем деформировании очень чувствительны к содержанию примесей, особенно легкоплавких (Bi , Pb ). Висмут в сплаве может сегрегировать по границам, поэтому даже одноатомный слой его может вызвать красноломкость в однофазных латунях с высоким содержанием цинка. Обрабатываемость α - латуней в горячем состоянии с повышением содержания цинка ухудшается. В холодном состоянии однофазные латуни обрабатываются хорошо.

Двухфазные α + β -латуни обрабатываются в горячем состоянии лучше однофазных благодаря наличию высокопластичной при повышенных температурах β -фазы и менее чувствительны к примесям. Однако они чувствительны к температурно-скоростным режимам охлаждения. По этой причине в горячепрессованных полуфабрикатах часто наблюдается неоднородная структура. Например, передний конец прутка (полосы или трубы) имеет преимущественно мелкую игольчатую структуру и высокие механические свойства, у заднего конца прутка в результате захолаживания структура зернистая и пониженные механические свойства.

В холодном состоянии двухфазные латуни обрабатываются хуже однофазных. Пластичность их в холодном состоянии зависит от структуры. Если α -фаза расположена на основном фоне кристаллов β -фазы в виде тонких игл, то обрабатываемость двухфазных латуней в холодном состоянии улучшается.

Влияние содержания цинка в латунях на температурный интервал горячей обработки давлением приведено на рис. 4.

У латуней в температурном интервале 200- 600°С в зависимости от фазового состава и содержания цинка наблюдается зона пониженной пластичности.

При холодной прокатке, волочении и глубокой штамповке латуней независимо от их фазового состава предпочтительна структура с величиной зерна не более 0,05 мм.

Суммарная степень холодной деформации простых латуней обусловлена определенным пределом, выше которого пластичность резко падает. Этот предел допустимой суммарной холодной деформации, который уменьшается с повышением содержания цинка, устанавливают для каждой марки латуни.

Если принять наивысшую пластичность в горячем состоянии в гомогенной области β -фазы, а при комнатной температуре в области α -фазы за 100%, то обрабатываемость латуней давлением можно оценить количественно (табл . 3).

Такие оценки обрабатываемости металлов и сплавов давлением и других технологических характеристик часто применяются в зарубежной практике.

Термообработка простых латуней . Основным видом термической обработки простых латуней являются рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия внутренних напряжений. Процесс рекристаллизации латуней определяется содержанием цинка и фазовым составом.

Температура начала рекристаллизации α -латуней с увеличением содержания цинка снижается. Рекристаллизация α -фазы в сильнодеформированной двухфазной латуни начинается при 300°С. В этих условиях β-фаза остается неизменной и ее рекристаллизация начинается при более высокой температуре. Поэтому при выборе температуры отжига для получения оптимальной структуры необходимо учитывать эту особенность двухфазных латуней.

Размеры зерна однофазных латуней определяют по эталонам микроструктур (ГОСТ 5362).

При отжиге латунных полуфабрикатов в воздушной или окислительной атмосфере на поверхности их образуются пятна - продукты окисления, трудноудаляемые при травлении. Уменьшение парциального давления кислорода (отжиг в вакууме) предотвращает образование пятен, но вызывает опасность обесцинкования. Поэтому рекомендуется проводить отжиг при минимальной температуре и в защитной атмосфере. В условиях производства труднее всего избежать пятен в латунях, содержащих 37-40% цинка.

Обрабатываемость простых латуней резанием. Обрабатываемость латуней резанием (точение, фрезерование, строгание, шлифование) зависит от фазового состава латуней. При обработке резанием однофазных латуней стружка получается длинной. Двухфазные ( а + β ) латуни обрабатываются лучше однофазных α -латуней. С увеличением содержания /3-фазы стружка становится более хрупкой и короткой. Количественная оценка обрабатываемости резанием простых латуней определяется сравнением с латунью ЛС63-3, обрабатываемость которой принята за 100%. Однофазные α -латуни отлично полируются, двухфазные - несколько хуже. Обрабатываемость латуней резанием и полируемость приведены в табл . 4.

Пайка и сварка простых л атуней. Простые латуни очень легко соединяются мягкими припоями. Перед пайкой мягким припоем зачистку поверхности производят либо шлифовкой, либо травлением в кислоте. В качестве припоя предпочтительно применять сплавы, содержащие 60% олова. Содержание сурьмы в припое из-за ее сильного сродства к цинку должно быть не более 0,25-0,5%. Пайку мягким припоем предпочтительно выполнять с хлоридными флюсами.

Однофазные α -латуни также легко соединяются пайкой твердыми припоями, в том числе серебряными, двухфазные а + β - несколько хуже.

Медно-фосфористые припои являются самофлюсующимися, поэтому пайку латуней этими припоями производят без флюсов. При пайке другими твердыми припоями необходимо применять соответствующие флюсы.

Содержание свинца в твердых припоях ограничивается 0,5%.

Количественная оценка способности простых латуней к пайке, %: однофазные α -латуни (мягкие припои) – 100%, однофазные α -латуни (тведые припои) – 100%, двухфазные α+ β -латуни (мягкие припои) – 100%, двухфазные α+ β -латуни (твердые припои) – 75%.

Свариваемость простых латуней несколько хуже, чем паяемость. Общая количественная оценка свариваемости латуней -75% по сравнению с бескислородной медью, принятой за 100%. Для соединения латуней применяют следующие виды сварки: дуговая с угольным электродом, дуговая с расходуемым электродом, дуговая с вольфрамовым (нерасходуемым) электродом в среде защитного (инертнего газа), дуговая с расходуемым электродом в среде инертного газа, кислородно-ацетиленовая, электрическая контактная (точечная, роликовая, стыковая).

Латунь с содержанием 20% Zn плохо поддается электрической контактной сварке, легче - латунь с 40% Zn . Высокое содержание цинка в двухфазных латунях затрудняет дуговую сварку из-за его испарения. Поэтому присадочные материалы, применяемые при дуговой сварке, должны содержать относительно небольшое количество цинка. Латуни, содержащие более 0,5% РЬ, обычно плохо поддаются сварке. Для улучшения смачиваемости металла в процессе сварки необходим предварительный нагрев до температуры 260°С, особенно для латуней с высоким содержанием меди. Сварка угольным электродом латуней, содержащих 15-30%, Zn , лучше всего ведется с помощью присадочных прутков (проволоки) из сплава Си + 3% Si . Для однопроходных швов можно применять прутки (проволоку) медные, легированные небольшим количеством олова; для многопроходных швов лучше применять прутки из сплава Cu + 3 % Si .

Латуни, содержащие более 30% Zn , можно сваривать угольным электродом с присадочными прутками (проволокой) из латуни Cu + 40% Zn или Cu + 3% Si . Для улучшения качества сварки необходимо металл предварительно нагревать до температуры 210°С. В качестве расходуемых электродов применяют проволоку или прутки из оловянно-фосфористой бронзы или из алюминиевой бронзы.

Дуговая сварка латуней вольфрамовым электродом в среде инертного газа осложняется выделением паров оксида цинка, которые подавляют действие дуги. Поэтому сварку следует вести при больших скоростях.

Хорошие результаты дает кислородно-ацетиленовая сварка. Для сварки латуней с содержанием 15-30% Zn необходимо пользоваться присадочными прутками (проволокой) из сплава Cu + 1,5% Si . Если условия эксплуатации готовых изделий не вызывают локальной коррозии (обесцинкования), можно использовать латунь с 40% Zn (Л60). Для сварки латуней, содержащих более 30% Zn в качестве присадочного материала применяют сплав Cu + 3% Si .

Влияние примесей на свойства простых латуней. Примеси не оказывают существенного влияния на механические, физические (за исключением железа, которое при содержании > 3,0% изменяет магнитные свойства латуней) и химические свойства простых латуней, но заметно влияют на их технологические характеристики. При горячей обработке давлением однофазные латуни особенно чувствительны к легкоплавким примесям.

Качество изделий, получаемых из латуней глубокой штамповкой, зависит от чистоты сплава, поэтому в простых латунях, предназначенных для глубокой штамповки, содержание примесей должно быть минимальным.

Влияние примесей на качество полуфабрикатов из латуней:

алюминий ухудшает качество литья, вызывая пенистость в отливках; висмут вызывает горячеломкость латуней, особенно однофазных; железо затрудняет процесс рекристаллизации;

кремний улучшает процессы пайки и сварки, повышает коррозионную стойкость; никель повышает температуру начала рекристаллизации;

свинец вызывает горячеломкость латуней, особенно однофазных, содержащих цинк в пределах 30-33 %;

сурьма отрицательно влияет на обрабатываемость латуней давлением. Микродобавки сурьмы (<0,1 %) к двухфазным латуням частично локализуют коррозию, связанную с обесцинкованием;

мышьяк ухудшает пластичность латуней в результате выделения хрупких фаз при концентрации выше его предела растворимости: в латунях в твердом состоянии (>0,1%). Добавки мышьяка в малых количествах (< 0,04%) предохраняют латуни от коррозионного растрескивания и обесцинкования при контакте с морской водой;

фосфор измельчает структуру в литом состоянии и предотвращает растрескивание при нагревании, ускоряет рост зерен при рекристаллизации; уменьшает коррозию, связанную с обесцинкованием; не рекомендуется как раскислитель медно-цинковых сплавов;

олово понижает пластичность латуней и может вызвать растрескивание при нагревании, если содержание железа > 0,05%.

Модифицирование латуней осуществляется введением в расплав:

добавок элементов, образующих тугоплавкие соединения, которые при структурном соответствии будут служить центрами кристаллизации;

поверхностно активных металлов, которые, концентрируясь на гранях зарождающихся кристаллов, замедляют их рост.

В качестве модификаторов в латунях применяют такие элементы, как железо, никель, марганец, олово, иттрий, кальций, бор, а также мишметалл.

Коррозионные свойства латуней. Латуни обладают удовлетворительной устойчивостью против воздействия промышленной, морской и сельской атмосфер. На воздухе они тускнеют. Корродирующее воздействие на латуни, содержащие >15% цинка, оказывают углекислый газ и галогены.

Латуни, содержащие <15% Zn , по своей коррозионной стойкости близки к меди промышленной чистоты.

Под воздействием окисляющих кислот латуни интенсивно корродируют. Предельная концентрация азотной кислоты, при которой не наблюдается заметной коррозии, составляет 0,1 % (по массе). Серная кислота действует на латуни менее агрессивно, однако при наличии окисляющих солей К 2 СГ 2 О 7 и Fe 2 (S0 4) 3 скорость коррозии возрастает в 200-250 раз. Из неокисляющих кислот наиболее сильное корродирующее воздействие оказывает соляная кислота.

Коррозионная стойкость латуней по отношению к большинству кислот, не обладающих окислительной способностью, удовлетворительная. Латуни также стойки к воздействию разбавленных горячих и холодных щелочных растворов (за исключением растворов аммиака) и холодных концентрированных нейтральных растворов солей. Латуни инертны по отношению к речной и соленой воде. При контакте с речной водой, содержащей небольшое количество серной кислоты, и в морской воде простые латуни заметно корродируют. Скорость коррозии зависит от температуры, концентрации, степени загрязнения и скорости обтекания поверхности металла. По отоношению к почве латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, к пищевым продуктам - нейтральны. Скорость коррозии латуни в почве составляет от 0,0005 мм/год (в суглинистой с pH 5,7) до 0,075 мм/год (в зольной с pH 7,6).

Сухие газы - фтор, бром, хлор, хлористый водород, фтористый водород, углекислый газ, оксиды углерода и азота при температуре 20°С и ниже на латуни практически не действуют, однако в присутствии влаги действие галогенов на латуни резко возрастает; сернистый ангидрид вызывает коррозию латуней при концентрации его в воздухе - 1 % и влажности воздуха > 70%; сероводород значительно действует на латуни при всех условиях, однако латуни с содержанием Zn > 30% более устойчивы, чем латуни с небольшим содержанием цинка.

Фторированные органические соединения, например, фреон, на латуни практически не действуют.

Во влажном насыщенном паре при больших скоростях (около 1000 м 3 / c ) наблюдается питтинговая коррозия, поэтому для перегретого пара латуни не применяют.

Коррозионная стойкость латуней в различных средах приведена в табл . 5.

В рудничных водах, особенно при наличии Fe 2 (SO 4 ) 3 латуни сильно корродируют. Присутствующие в воде фтористые соли действуют на латуни слабо, хлористые - сильнее, иодистые - очень сильно.

Латуни, кроме общей коррозии, подвержены также особым видам коррозии: ооесцинкованию и "сезонному" растрескиванию.

Обесцинкование - особая форма коррозии, при которой растворяется твердый раствор цинка в меди и в катодных местах электрохимически осаждается медь. Продукты коррозии цинка могут отводиться или задерживаться в виде оксидной пленки. Раствор, в котором латунь подвергается обесцинкованию, обычно содержит больше цинка, чем меди.

В результате обесцинкования латуни становятся пористыми, на поверхности появляются красноватые пятна, ухудшаются механические свойства. Обесцинкование наблюдается при контакте латуни с электропроводящими средами (кислые и щелочные растворы) и проявляется в двух формах: сплошной и локальной. Процесс обесцинкования усиливается с увеличением содержания цинка, а также с повышением температуры и аэрации. Однофазные латуни, содержащие >15% Zn , подвергаются обесцинкованию в кислых растворах (нитраты, сульфаты, хлориды, соли аммония и цианиды). В двухфазных латунях процесс обесцинкования заметно усиливается и может происходить даже в водных средах. Наиболее уязвимой является β -фаза.

Малые добавки мышьяка, фосфора и сурьмы частично локализуют коррозию, связанную с обесцинкованием. Мышьяк и сурьма защищают от обесцинкования главным образом α -фазу.

"Сезонное" или межкристаллитное растрескивание наблюдается в латунях в результате воздействия коррозионных агентов при наличии растягивающих напряжений. К коррозионным агентам относятся: пары или растворы аммиака, конденсаты с сернистыми газами, влажный серный ангидрид, растворы солей ртути, различные амины, компоненты травильных растворов, влажный диоксид углерода. Если в атмосфере содержатся следы аммиака, влажного диоксида углерода, сернистого газа и др. коррозионных агентов, то "сезонное" растрескивание проявляется при колебаниях температуры, в результате которых на поверхности деталей происходит конденсация коррозионных агентов.

Латуни, содержащие до 7% цинка, мало чувствительны к "сезонному” растрескиванию. В латунях, содержащих от 10 до 20% цинка, межкристаллитное растрескивание не наблюдается, если внутренние растягивающие напряжения не превышают 60 МПа. Латуни, содержащие 20-30% Zn , подвергаются коррозионному растрескиванию только в холоднодеформированном состоянии в водном растворе аммиака. Наиболее склонны к коррозионному растрескиванию однофазные латуни с концентрацией цинка, близкой к пределу насыщения, и двухфазные. Они устойчивы против "сезонного" растрескивания только при наличии растягивающих напряжений < 10 МПа.

Склонность к коррозионному растрескиванию медно-цинковых сплавов в парах аммиака приведена на рис. 5.

Для предотвращения коррозионного растрескивания латуней необходимо применять низкотемпературный отжиг и предохранять их от окисления при хранении. Для снятия внутренних напряжений производят дорекристаллизационный отжиг.

Для предохранения латуней от окисления рекомендуется пассивировать их в следующих средах: слабокислом водном растворе, содержащем около 6% ангидрида хромовой кислоты и 0,2% серной кислоты; водном растворе, содержащем 5 % хромпика и 2% хромовых квасцов.

Защиту латуней производят также с помощью ингибиторов коррозии, например, бензотриазола или толуолтриазола. Бензотриазол образует на поверхности пленку (< 5 нм), которая предохраняет латуни от коррозии в водных средах, различных атмосферах и других агентах. Коррозионные ингибиторы могут быть введены в состав лаков и защитной оберточной бумаги.

В случае электрохимической коррозии латунь при контакте с различными металлами и сплавами проявляет себя двояко: в одних случаях анодом, в других - катодом (табл. 6 ).

При контакте латуни с серебром, никелем, мельхиором, медью, алюминиевой бронзой, оловом и свинцом электрохимическая коррозия не происходит.

При нагреве латуни окисляются. Скорость окисления латуней с повышением температуры возрастает по экспоненте, удваиваясь приблизительно через каждые 360К. При температуре свыше 770К наблюдается испарение цинка наиболее интенсивно, если его концентрация в сплавах превышает 20 %.

Изменение некоторых физических и механических свойств латуней в зависимости от содержания цинка показано на рис. 6-9.

Типичные физические, механические и технологические свойства латуней приведены в п рил. 2, 3 , 4.

Специальные латуни, обрабатываемые давлением

Специальные или многокомпонентные латуни - это медно-цинковые сплавы сложных композиций, в которых основными легирующими элементами являются алюминий, железо, марганец, никель, марганец, никель, кремний, олово и свинец. Эти элементы, как правило, вводят в латуни в таких количествах, чтобы они полностью растворялись в α и β фазах. Кроме указанных элементов в латуни вводят малые добавки мышьяка, сурьмы и других элементов.

Влияние легирующих элементов проявляется двояко: изменяются свойства фаз (а и/3) и относительные их количества, т.е. граница фазовых превращений.

Для определения границ фазовых превращений в системе или "кажущегося" ("фиктивного") содержания меди при добавлении легирующего элемента используют эмпирическое уравнение:

A’ = A *100/(100+ X *(K э-1)),

где А’ - кажущееся (фиктивное) содержание меди, % (по массе); А - фактические содержание меди, % (по массе); X - содержание третьего компонента, % (по массе); Кэ - коэффициент Гинье, характеризующий влияние легирующего элемента на фазовый состав (при К э > 1, увеличивается количество β ’-фазы).

Значение Кэ для различных элементов: для Ni K э от -1,2 до -1,4, для Co K э=-1, для Mn K э=0,5, для Fe K э=0,9, для Pb K э=1, для Sn K э=2, для Al K э=6, для Si K э от 10 до 12.

Свинцовые латуни

Свинцовые латуни - медно-цинковые сплавы, легированные свинцом. Диаграмма состояния системы Cu - Zn - Pb представлена на рис . 10.

Растворимость свинца в сплавах в твердом состоянии ничтожно мала. В двухфазных медно-цинковых сплавах (с содержанием Zn 40 %) растворимость свинца при 750°С в β -фазе немногим более 0,2%; при комнатной температуре свинец практически не растворим. В двухфазных латунях (в равновесном состоянии) свинец располагается внутри α и β -фаз и частично на границах этих фаз. Свинец при выделении его по границам фаз или зерен заметно ухудшает деформируемость латуней в горячем состоянии.

Свинец в сплавах а + β выполняет двоякую роль: с одной стороны он используется в качестве фазы, способствующей измельчению стружки, с другой - как смазка, снижающая коэффициент трения при обработке резанием. Эффективность добавок свинца определяется его количеством и структурой сплава, величиной и характером распределения частиц свинца, величиной зерна a -фазы, количеством и распределением β -фазы.

Улучшая обрабатываемость резанием свинец заметно снижает ударную вязкость латуней, ухудшает обрабатываемость давлением, пайку и сварку, полируемость и усложняет гальваническую обработку поверхности изделий.

Прочностные характеристики свинцовых латуней с повышением температуры уменьшаются более интенсивно по сравнению с простыми латунями. Временное сопротивление разрыву латуней, содержащих около 2% свинца, при температуре 600°С составляет 10 МПа, при температуре 800°С - практически равно нулю.

В зависимости от обработки готовых деформированных полуфабрикатов свинцовые латуни классифицируют на три основных типа: для холодной обработки давлением, для горячей штамповки, для обработки на токарных автоматах.

Структура свинцови стых ла туней. обрабатываемых давлением в холодном состоянии, состоит из α-фазы и свинца, содержание которого должно быть в таких пределах, чтобы обеспечить высокую обрабатываемость резанием. К таким сплавам относятся латуни марок ЛС74-3, ЛС64-2, JIC 63-3 и ЛС63-2.

Свинцовы е латун и, обрабатываемые давлением в горячем состоянии и предназначенные для горячей ковки и штамповки - двухфазные (α +β). Содержание цинка в латунях должно быть таким, чтобы превращение α + β в чистую β -фазу происходило полностью и при относительно низкой температуре.

Расчетное содержание β -фазы составляет около 20%. Содержание свинца от 1 до 3%. К таким латуням относятся свинцовые латуни марок ЛС60-1, ЛС59-1 и ЛС59-3. Свинцовы е лату ни. применяемыедля обработки на токарных автоматах и в микротехнике (т.е. для изготовления деталей, которые очень малы по размерам, порядка 1 мм) - двухфазные, с высоким содержанием свинца; ЛС63-3 (с малым содержанием/3-фазы) и ЛС58-3 (с высоким содержанием β -фазы).

К латуням, применяемым в микротехнике, предъявляются особые требования по однородности химического состава, допускам по основным компонентам и микроструктуре (размер и распределение частиц свинца, количество и распределение β -фазы, величина зерна α -фазы). Однородность химического состава (гомогенность сплава) необходимо обеспечивать на небольших участках.

Границы оптимизации микроструктуры свинцовых латуней для "микродеталей" определяются содержанием β -фазы от 10 до 30%, величиной зерна α -фазы - от 10 до 50 мк при среднем диаметре частиц свинца 1-5 мк.

Обработка свинцовых латуней. Оксиды различных элементов ухудшают обрабатываемость свинцовых латуней резанием, поэтому при их плавке и литье необходим тщательный контроль за их содержанием. Из элементов-примесей наиболее отрицательное влияние на обрабатываемость резанием оказывает железо, поэтому на его содержание установлены особые ограничения. Литье осуществляется двумя способами: в изложницы и полунепрерывным (непрерывным) способом. Для достижения стабильности химического состава предпочтительно отливать свинцовые латуни непрерывным (полунепрерывным) способом.

Свинец не оказывает влияния на температуру и процесс кристаллизации медно-цинковых сплавов, он затвердевает при 326°С и в случае выделения по границам зерен (фаз) ухудшает деформируемость в горячем состоянии двухфазных сплавов.

Области составов стандартных свинцовых латуней, обрабатываемых в горячем и холодном состояниях, показаны на рис. 11.

При горячей штамповке свинцовых латуней, содержащих 56-60% Cu (ЛС59-1), склонность к образованию трещин определяется главным образом температурой деформации. Оптимальный интервал температур, при котором не образуются трещины, доволно узок и находится в области температур, составляющих линии на диаграмме состояния Cu - Zn , разграничивающих двухфазную α+ β и однофазную β -области.

Содержание свинца, а также легкоплавких примесей (висмута, сурьмы и других) не оказывает влияния на склонность к образованию трещин при горячей штамповке двухфазных свинцовистых латуней (α+ β ).

Влияние химического состава на обрабатываемость резанием и давлением свинцовых латуней показано в табл. 7.

Свинцовые α-латуни обрабатывают в холодном состоянии, однако при определенных режимах возможно и горячее прессование.

Основными видами термической обработки свинцовых латуней являются полный рекристаллизационный отжиг и низкотемпературный отжиг для снятия внутренних напряжений.

Свинцовые латуни хуже, чем простые латуни, соединяются припоями, свариваются и полируются. Для соединения свинцовых латуней не рекомендуется применять кислородно-ацетиленовую сварку, дуговую в среде защитного газа и дуговую с расходуемым электродом.

Ко ррозионная стойкость свинцовых латуней . Свинцовые латуни обладают: отличной устойчивостью против воздействия чистых гидрокарбонатов, фреона, фторированных гидрокарбо- натовых охладителей и лаков; хорошей устойчивостью против воздействия промышленной, морской, сельской атмосфер, спиртов, дизельного топлива и сухого диоксида углерода; средней устойчивостью против воздействия сырой нефти и водяного диоксида углерода; плохой устойчивостью против воздействия гидроксида аммония, хлористоводородной и серной кислот.

Олов янные лат уни

Олово незначительно влияет на изменение границ фазовых превращений, однако заметно изменяет природу β -фазы. Диаграмма состояния системы Cu - Zn - Sn приведена на рис . 12.

Двухфазные оловянные латуни обладают высокой коррозионной стойкостью во многих средах. При повышенном содержании олова в латунях появляется новая фаза γ. Фаза γ - хрупкая составляющая, которая заметно ухудшает обрабатываемость латуни давлением в холодном состоянии. Появление γ -фазы в двухфазной латуни (а + /3) наблюдается при содержании олова свыше 0,5% (если содержание олова превышает этот предел, то при превращении β выделяется δ-фаза, обволакивающая α -фазу. Появление хрупких фаз ограничивает легирование латуней оловом. Содержание олова более 2% в латунях ухудшает их обрабатываемость в горячем состоянии. Стандартные оловянные латуни можно разделить на два типа: однофазные (α - твердый раствор) и трехфазные ( α + β + γ ).

Алюминиевые латуни

Алюминиевые латуни - медно-цинковые сплавы, в которых основной легирующей добавкой является алюминий.

Алюминий благодаря высокому коэффициенту Гинье (Кэ = 6) и значительной растворимости в твердом состоянии по сравнению с другими элементами (кроме кремния) оказывает даже в небольших количествах заметное влияние на свойства латуни. Добавки алюминия повышают механические свойства и коррозионную стойкость латуней, но несколько ухудшают их пластичность. Количество вводимого алюминия ограничивается пределами, выше которых появляется хрупкая γ -фаза (рис . 13).

При содержании меди, % (по массе): 70; > / J 65; 60 предельные содержания алюминия, % (по массе): 6; 5 и 3 соответственно. В латунях, обрабатываемых давлением, содержание алюминия не превышает 4%, в литейных высокопрочных латунях 7%.

Легирование латуней производят одним алюминием или в определенных соотношениях с другими элементами (железо, никель, марганец и др.).

Одним алюминием, как правило, легируют однофазные латуни (ЛА85-0,5, ЛА77-2). Для локализации обесцинкования и предотвращения коррозионного растрескивания при контакте с морской водой в однофазные алюминиевые латуни, содержащие более 15% Zn , вводят 0,02-0,04 As (ЛАМш77-2-0,05).

Избыток мышьяка (> 0,062%) ухудшает пластичность латуней. Алюминий совместно с железом (ЛАЖ60-1-1) и никелем (ЛАН59-3-2) вводят преимущественно в двухфазные латуни.

Железо улучшает пластичность латуней, содержащих свинец, в горячем состоянии измельчает структуру и повышает их механические свойства; никель повышает коррозионную стойкость. Железо и никель несколько снижают пластичность латуней в холодном состоянии.

Легирование латуней алюминием, никелем и небольшими добавками марганца и кремния (ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5) делает их дисперсионно-твердеющими и существенно улучшает механические свойства, особенно упругие характеристики.

Однофазные алюминиевые латуни удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем состоянии и хорошо - в холодном; двухфазные - хорошо в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Обрабатываемость резанием колеблется от 30 до 50% (по сравнению с латунью ЛС63-3).

Алюминиевые латуни по сравнению со свинцовыми хуже соединился припоями, но несколько лучше свариваются; по полируемости они близки к двухфазный простым латуням (таб л. 8).

Железосодержащие латуни

Добавки железа значительно измельчают структуру латуней, благодаря чему улучшаются механические свойства и технологические характеристики. Однако" сплавы системы Cu - Zn - Fe применяются редко. Распространение получили многокомпонентные латуни.

Марганцевые латуни

Легирование латуней марганцем заметно повышает их коррозионную стойкость при контакте с морской водой, хлоридами и перегретым паром.

Диаграмма состояния сплава системы Cu - Zn - Mn приведена на рис. 14.

Добавки марганца оказывают незначительное влияние на структуру латуней. Однако марганец уменьшает стабильность упорядоченной решетки фазы β . При содержании Мп > 4,7% (ат.) в сплаве наблюдается частично неупорядоченное состояние при температуре закалки от 520°С.

Наиболее благоприятное влияние на свойства и технологические характеристики латуни марганец оказывает в сочетании с другими легирующими элементами (алюминий, железо, олово, никель).

Кремнистые латуни

Кремний в твердом состоянии растворим в латунях в значительных количествах, однако растворимость его понижается с увеличением содержания цинка. Область твердого раствора а под влиянием кремния и цинка резко сдвигается в сторону медного угла (рис. 15) .

С увеличением содержания кремния в структуре сплавов Cu - Zn - Si появляется новая фаза к гексагональной сингинии, которая при повышенных температурах пластичная и в отличие от β -фазы поляризуется. С понижением температуры (ниже 545°С) происходит эвтектоидный распад к-фазы в α + γ ".

Кремнистые латуни, содержащие 20% Zn и 4% Si для обработки давлением не пригодны из-за малой пластичности. Для получения деформированных полуфабрикатов применяются кремнистые латуни, содержащие <4% Si .

Небольшие добавки кремния улучшают технологические характеристики латуней при литье и горячей обработке давлением, повышают механические свойства и антифрикционносгь

Никелевые латуни

Легирование латуней никелем повышает их механические свойства и коррозионную стойкость. Никелевые латуни более стойки по сравнению с другими латунями к обесцинкованию и коррозионному растрескиванию.

Как видно из диаграммы состояния сплава системы Cu - Zn - Ni (рис . 16), никель оказывает заметное влияние на структуру латуней, расширяя область твердого раствора α

При легировании никелем можно некоторые двухфазные латуни перевести в однофазные.

Легирование латуни Л62 никелем в количестве 2-3% (по массе) позволяет получить однофазный сплав с мелким зерном, высокими и однородными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью. Благодаря добавкам никеля при производстве деформированных полуфабрикатов исключается появление такого отрицательного явления как строчечная структура.

Рекомендации по улучшению свойств медно-цинковых сплавов с учетом зарубежного опыта. На свойства латуней наряду с чистотой исходных компонентов сплавов, способами и режимами плавки и литья большое влияние оказывают режимы их обработки и подготовка шихты.

Для уменьшения образования пористости и пузырей в листах (полосах) и лентах из латуни марок Л70, Л68, Л63 и Л60: избегать загрязнения шихты фосфором; отходы в виде стружки, содержащей масло, эмульсию и др. перед плавкой подвергать окислительному обжигу; добавлять в расплав оксид меди в количестве 0,1-1,0 кг на 100 кг шихты; обращать особое внимание на оптимальные режимы литья и горячей прокатки; отжигать горячекатаные полосы перед холодной прокаткой.

Для увеличения сопротивления латуней Л68 и Л70 коррозионному растрескиванию необходимо уделять большое внимание подбору режима холодной прокатки и отжига. Суммарное обжатие при последней холодной прокатке должно быть более 50%, оптимальная температура отжига - 260-280°С.

Для повышения сопротивления двухфазных латуней обесцинкованию (а это возможно, если доля β -фазы в структуре сплава составляет около 30%) необходимо термообработку проводить в интервале температур 400-700°С (в зависимости от состава сплава).

Для предотвращения обесцинкования латуней Л63 и получения качественной поверхности при светлом отжиге (в колпаковых и шахтных печах) температуру рекристаллизационного отжига выдерживают в пределах 450-470°С. При этой температуре в течение 1-4 ч получают полосу (ленту) с размером зерна 0,035- 0,045 мм, временным сопротивлением разрыву 33-35 кгс/мм 2 и относительным удлинением 50%.

Под термической обработкой цветного металла понимается нагрев до определенной температуры, после чего следует охлаждение с определенной скоростью. Общая эффективность термической обработки цветного металла зависит от его предшествующей обработки, от температуры и скорости нагрева, продолжительности выдержки при этой температуре и скорости охлаждения

Процессы термической обработки цветных металлов можно разделить на две основные группы: термическая обработка, целью которой является получение структуры, максимально приближающейся к равновесному состоянию, и термическая обработка, целью которой, наоборот, является достижение неравновесного состояния. В некоторых случаях обе упомянутые группы процессов взаимно перекрываются

К первой группе относятся рекристаллизационный отжиг деформированного материала, далее отжиг для снятия внутренних напряжений и, наконец, гомогенизационный отжиг отливок. Ко второй группе, которая считается иногда термической обработкой в узком смысле слова, относится термическая обработка с получением неравновесного состояния, т. е. так называемое дисперсионное отверждение

Мягкий или рекристаллизационный отжиг

Мягкий отжиг это термическая обработка заготовок, подвергшихся холодной обработке давлением. Он производится путем нагрева изделия до определенной температуры, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и, как правило, медленного последующего охлаждения. Уровень температуры, продолжительность выдержки так же, как и скорости нагрева и охлаждения, зависят как от способа предшествующей обработки, так и от требуемых свойств изделия. Следовательно, процесс этого отжига характеризуется степенью предшествующего обжатия, температурой и продолжительностью отжига и требуемой структурой изделия. Кратко можно пояснить сказанное следующими примерами

Металл, получивший наклеп в результате обработки давлением , претерпевает во время нагрева несколько взаимно перекрывающихся изменений. Сначала происходит так называемое «восстановление», характеризующееся снятием внутренних напряжений, т. е. устранением нарушений кристаллической решетки, вызванных в материале обработкой давлением. В этой области механические свойства изменяются очень мало, хотя на некоторых физических свойствах уже наблюдаются изменения. При дальнейшем нагреве начинают образовываться зародыши новообразующей структуры, и происходит рост этих зародышей. В совокупности эти два процесса называют рекристаллизацией . Механические и физические свойства, приобретенные материалом в результате обработки давлением, утрачиваются им при рекристаллизации, и материал приобретает свойства, которые он имел перед наклепом. Затем следует стадия роста зерна, при которой кристаллы сливаются; при этом некоторые кристаллы растут за счет соседних кристаллов, и кристаллическая структура укрупняется

Процесс изменения механических свойств меди, не содержащей кислорода при наклепе и рекристаллизационном отжиге поясняется на нижележащих графиках

Зависимость механических свойств при наклепе от степени обжатия

Зависимость механических свойств при рекристаллизационном отжиге от температуры

Кривые твердости в зависимости от предшествующей степени обжатия и температуры, а также рост зерна в зависимости от температуры после рекристаллизации

Отжиг для снятия внутренних напряжений

Такой отжиг называется стабилизацией , а применительно к деформированным заготовкам - отпуском . Отжиг состоит в нагреве до невысокой температуры и кратковременной выдержке при этой температуре до полного прогрева изделия, после чего следует медленное охлаждение. Для заготовок, обработанных давлением, это - температура из области восстановления, т. е. ниже температуры рекристаллизации. Этим отжигом устраняются внутренние напряжения, вызванные, например, в отливках неравномерным остыванием и термической обработкой, а в поковках - обработкой давлением на холоде, термической обработкой или обработкой резанием при больших сечениях стружки. Прежняя кристаллизация при этом нагреве сохраняется. Механические свойства также существенно не изменяются, в том числе и после длительного хранения

У изделий, особенно сложной конфигурации, этим процессом обеспечивается стабильность размеров. Пример температур отпуска некоторых деформируемых сплавов алюминия и меди приведен в табл.1

Температуры отпуска для снятия внутренних напряжений в некоторых деформируемых металлах и сплавах

Гомогенизационный отжиг

Гомогенизационный отжиг - это термическая обработка, состоящая из нагрева до высокой температуры и выдержки при этой температуре в течение определенного времени, пока не будут достигнуты равномерный состав и равномерная структура. Затем следует, как правило, медленное охлаждение. В литых сплавах встречается неравномерность (гетерогенность) двоякого рода. Это - ликвация примесей , накапливающихся в тех частях отливки, которые отвердевают последними, и расслоение (слоистость) каждого отдельного кристалла твердого раствора. Неравномерности внутри кристалла легко выравниваются диффузией , если она протекает при достаточно высокой температуре и достаточно долго. Напротив, примеси, накопленные в отдельных местах отливки, рассеиваются отжигом значительно хуже. Они способны к диффузии лишь в том случае, если растворяются в основном металле при высоких температурах. Но и в этом случае процесс гомогенизации затруднен ввиду большого пути, который должны проходить отдельные частицы

Гомогенизационному отжигу можно подвергать и деформированные металлы, если требуется улучшить некоторые их механические свойства, особенно вязкость и химическую стойкость сплава. Путем нагрева до высокой температуры определенные легирующие элементы переводятся в твердый раствор до тех пор, пока сплав не станет гомогенным, а затем быстрым охлаждением подавляется ликвация. Однако этот процесс уже переходит в область термической обработки для получения неравновесных состояний

Дисперсионное отверждение

Для дисперсионного отверждения сплава обязательным условием является то, чтобы в основных кристаллах находилась частично растворимая фаза, растворимость которой уменьшается с понижением температуры. При медленном охлаждении происходит ликвация, в результате которой может выделиться, в зависимости от формы диаграммы, чистый металл, твердый раствор соединений или какая — либо другая фаза. Быстрым охлаждением из области твердого раствора можно во многих случаях подавить ликвацию, и закаленный таким образом сплав привести в неравновесное состояние пересыщенного твердого раствора. При дальнейшем умеренном нагреве или нормальной температуре сплав проявляет тенденцию прийти в стабильное состояние. Этот сложный процесс пока еще не вполне выяснен, хотя практически в технике уже применяют целый ряд отверждаемых сплавов. Процесс протекает по-разному у разных отверждаемых сплавов, а во многих случаях - неодинаково даже у одного и того же сплава. Поэтому ограничимся лишь краткой характеристикой этого процесса

Отверждение состоит в основном из трех этапов. Сначала сплав нагревается до соответствующей температуры. Эта температура находится в пределах между линией солидуса и линией растворимости в твердом состоянии по возможности ближе к температуре солидуса. Лучше всего эту температуру, учитывая ее узкий диапазон, особенно у алюминиевых сплавов (490-535° С), поддерживать в соляном растворе, и поэтому именно такие растворы и применяют чаще всего. Целью отжига этого вида является получение богатого твердого раствора. Выдержка при данной температуре зависит от типа сплава и вида заготовки. Затем следует быстрое охлаждение (закалка в масле или в воде). Сплав проходит через разные стадии, приближающиеся к равновесному состоянию, причем атомы пересыщенного твердого раствора каждый раз располагаются по-разному. Этот процесс проводится при нормальной или повышенной температуре; иногда его называют старением. В некоторых случаях между закалкой и старением производят холодную обработку давлением. Старение при нормальной температуре называется естественным , а при повышенной температуре - искусственным

При отверждении изменяются механические свойства. После закалки прочность несколько уменьшается с увеличением вязкости, а при старении прочность снова повышается, а вязкость и пластичность немного уменьшаются. Эти изменения при старении подчиняются определенным закономерностям, зависящим от температуры, продолжительности старения и вида сплава. По достижении максимума прочность сплава при дальнейшем нагревании его снова уменьшается. В результате такого «перестарения » сплав переходит из нестабильного отвержденного состояния в равновесное, и материал приобретает прежние механические свойства. Разумеется, прочность в отвержденном состоянии всегда больше той, которая может быть получена у того же сплава нагартовкой, и вообще отверждаемые сплавы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими металлами этой группы. В процессе отверждения изменяются и некоторые физические свойства

На рис.5 показано влияние температуры и продолжительности искусственного старения на механические свойства деформируемого сплава AlMgSi.

Общая схема зависимости температуры и продолжительности отжига при различных способах термической обработки деформируемого сплава AlMgSi приведена на рис.6

У некоторых сплавов цветных металлов при термической обработке на неравновесное состояние процессы перекристаллизации протекают так же, как у стали. Например, в некоторых алюминиевых бронзах происходят так называемые фазовые превращения γ — α , в связи с чем весь процесс, состоящий из закалки и отпуска, можно назвать термическим улучшением . Изменения механических свойств при улучшении отличаются от тех, которые сопровождают отверждение: после закалки прочность увеличивается с одновременным уменьшением вязкости, а при отпуске прочность снова уменьшается, тогда как вязкость немного повышается

Значения механических свойств деформируемых сплавов алюминия, подвергавшихся различной термической обработке

Марка сплава	Полуфабрикат	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 10 , (%)
Al 99,5	Лист	1,5	7 — 10	22
Al-Cu4-Mg1	Лист		18 — 24	11
Al-Zn6-Mg-Cu	Пруток		18 — 28	9
Al-Mg-Si	Лист		11 — 15	16
Al-Mg	Лист		18 — 23	16
Al-Mg5	Пруток		25 — 28	16
Al-Mg-Mn	Лист		17 — 26	15
Al-Mn	Труба		11 — 17	16

В твердом состоянии

Марка сплава	Полуфабрикат	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 10 , (%)
Al 99,5	Лист	11	13	4
Al-Mg-Si	Лист	15	17	4
Al-Mg	Лист		27	3
Al-Mg5	Пруток	28	32	3
Al-Mg-Mn	Лист	20	24	3
Al-Mn	Труба		19	3

В отвержденном состоянии

Марка сплава	Полуфабрикат	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 10 , (%)	Примечания
Al-Cu4-Mg1	Лист	28	43,5	10	Отвержденные при нормальной температуре; все размеры
Al-Cu-Ni-Mg-Fe	Поковка	26	38	4	Небольшие поковки и в направлении волокон
Al-Zn6-Mg-Cu	Пруток	38	50	6	Отвержденные при высокой температуре
Al-Mg-Si	Лист	10	20	12

Режимы термической обработки и значения механических свойств литейных сплавов алюминия

Марка сплава	Отливка	Способ термической обработки отливки	Темпе- ратура закалки (°С)	Продолжи- тельность выдержки при этой темпе- ратуре (часы)	Темпе- ратура старения (°С)	Про- должи- тель- ность старения (часы)	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 5 , (%)	HB
Al-Si-Cu5	В песок				180±5	15		16		65
Al-Si-Cu5	В песок	Отвержденная в горячем виде	525±5	4	180±5	5		20		70
Al-Si-Cu5	В песок		525 +5 -10	4	230±5	5		18	1	65
Al-Si-Cu5	В кокиль	Подвергнутая искусственному старению			180±5	15		16		65
Al-Cu-Si5	В кокиль	Закаленная и стабили- зированная	525 +5 -10	4	230±5	5		18	1	65
Al-Cu-Ni-Mg	В песок	Отвержденная в горячем виде	515±5	4 — 10	235±5	4 — 6	18	22	0,3	90
Al-Cu-Ni-Mg	В кокиль	Отвержденная в горячем виде	515±5	4 — 10	235±5	4 — 6	20	24	0,3	90
Al-Mg11	В песок	Закаленная	435±5	15 — 20				28	9	60
Al-Si13	В песок	Термически необработанная					8	17	4	50
Al-Si13	В кокиль	Отожженная					9	20	3	55

Примечание: значения механических свойств являются минимальными и относятся к специально отлитым испытательным пруткам

Режимы термической обработки деформируемых сплавов алюминия

Горячее деформирование

Марка сплава	Оптимальная температура (°С)
Al 99,5	380 — 500	1 — 2
Al-Cu4-Mg1	400 — 450	4 — 8
Al-Cu-Ni-Mg-Fe	420 — 470	4 — 8
Al-Zn6-Mg-Cu	440 — 460	4 — 8
Al-Mg-Si	480 — 520	2 — 4
Al-Mg	400 — 450	2 — 4
Al-Mg5	330 — 400	3 — 6
Al-Mg-Mn	400 — 450	2 — 4
Al-Mn	450 — 500	1 — 2

Полный отжиг

Марка сплава	Температура (°С)	Продолжительность выдержки при этой температуре (часы)	Способ охлаждения
Al 99,5	360 — 400	2 — 6	На воздухе
Al-Cu4-Mg1	330 — 420	1 — 6
Al-Cu-Ni-Mg-Fe	340 — 400	1 — 6	Медленное в печи; быстрое охлаждение 40 — 60 град/ч до температуры 200°С
Al-Zn6-Mg-Cu	420 — 440	2	Медленное в печи; быстрое охлаждение 30 — 50 град/ч
Al-Mg-Si	360 — 400	4 — 8	Медленное в печи; быстрое охлаждение 60 — 100 град/ч до температуры 200°С
Al-Mg	360 — 400	2 — 4	На воздухе
Al-Mg5	360 — 400	2 — 4	Медленное в печи
Al-Mg-Mn	360 — 400	1/2 — 3	На воздухе
Al-Mn	500 — 550 (быстрый нагрев)	1 — 4	На воздухе

Отверждение

Марка сплава	Температура закалки (°С)	Продолжительность выдержки при этой температуре (часы)	Температура старения (°С)	Продолжительность старения (часы)
Al-Cu4-Mg1	490 — 505	1/4 — 1, ванна	При нормальной температуре	5 дней
Al-Cu-Ni-Mg-Fe	520 — 540	1/2 — 1, ванна	180 — 195	12 — 14 ч
Al-Zn6-Mg-Cu	465 — 475	5 — 15 мин, ванна; 10 — 30 мин, воздушная печь	130 — 140	16 ч
Al-Mg-Si	520 — 535	1/3 — 1, ванна	155 — 160	4 — 6 ч

Значения механических свойств деформируемых сплавов меди, подвергнутых различной термической обработке

В состоянии мягком или после горячего деформирования

Марка сплава	Полуфабрикат	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 10 , (%)
Cu 99,5	Лист		20	30
Cu-Sn 6	Пруток	15	35	40
Ms (латунь) 90	Лист	8	25	40
Ms (латунь) 70	Лист	13	28	47
Ms (латунь) 63	Фасонный профиль	12	31	40
Cu-Ni 2-Si	Пруток	10	25	30
Cu-Al 10-Fe-Ni	Пруток	40	65	5
Cu-Be (2,0%)-Co (0,3%)	Лист и пруток	17 — 25	42 — 52	35 — 50

В твердом состоянии

Марка сплава	Полуфабрикат	σ т, (кг/мм 2)	σ вр, (кг/мм 2)	δ 10 , (%)
Cu 99,5	Лист	16	30	4
Cu-Sn 6	Пруток	45	50	8
Ms (латунь) 90	Лист	20	35	8
Ms (латунь) 70	Лист	30	45	15
Ms (латунь) 63	Фасонный профиль	35	42	15
Cu-Be (2,0%)-Co (0,3%)	Лист и пруток	52 — 60	63 — 70	10 — 20