CC BY
124
МЕШЛООБРАБИТК:
УДК 673.15
Исследования влияния химического состава
и термической обработки
на некоторые свойства бронзы БрАЖ 9-4
А. В. Гоциридзе, Д. Л. Кедо, Е. И. Лудзская, К. В. Мартынов
Изложены результаты исследований влияния процентного содержания основных легирующих компонентов на структуру и свойства прессованных полуфабрикатов из бронзы БрАЖ 9-4 после термической обработки.
Ключевые слова: бронзы алюминиевые, химический состав, термообработка, металлография, механические свойства.
Введение
В последнее время в России все более остро встают проблемы, связанные с импортозаме-щением материалов и изделий, поступавших ранее из-за рубежа. Это относится к производству как высокотехнологичной продукции, так и качественных полуфабрикатов и заготовок для традиционного машиностроения.
Сегодня АО «Завод „Красный Выборжец"», являсь одним из ведущих производителей цветного металлопроката, прессованных и тянутых труб и профилей, в значительной степени покрывает потребности предприятий военно-промышленного комплекса, судостроения, космической отрасли в этих видах продукции.
Поскольку к изделиям ответственного назначения предъявляются высокие требования, многие заказчики в технических требованиях указывают верхний уровень свойств исходных заготовок, установленных ГОСТом для данной марки сплава.
В то же время, как показала практика, не всегда удается обеспечить требуемый уровень свойств у разных партий сплавов, идущих под одной маркой, путем проведения регламентированных режимов термообработки. По-видимому, это обстоятельство обусловлено слишком широким допустимым диапазоном процентного содержания различных компонентов внутри одной марки сплава в соответствии с ГОСТом на химический состав.
Цель работы — исследовать влияние химического состава и термической обработки на механические свойства сплава на основе меди одной марки.
В качестве объекта исследования была выбрана одна из наиболее широко используемых марок бронз БрАЖ 9-4. Промышленные исследования проводили на оборудовании завода «Красный Выборжец».
Состояние вопроса
Бронза БрАЖ 9-4 относится к алюминиевым бронзам, обладающим более высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими и антифрикционными свойствами по сравнению с другими медными сплавами [2].
Легирование меди алюминием имеет своей целью в первую очередь повышение ее прочностных характеристик. Увеличение содержания алюминия в медных сплавах приводит к росту прочности и твердости, но одновременно снижает показатели пластичности, электропроводности и теплопроводности. На практике используют простые и многокомпонентные алюминиевые бронзы с содержанием алюминия от 4 до 11 % по массе. В таком диапазоне концентрации алюминия образуются твердые растворы замещения. При этом предельная растворимость алюминия зависит от температуры сплава. Как следует из диаграммы со-
г, °с
1050 1000 950 900
850 Н
800 750 700 650
600
550
500
Си
5
7,5 10 12,5 15 Содержание, % (по массе)
Рис. 1. Диаграмма состояния медь—алюминий
17,5
А1
стояния Си—А1 (рис. 1), эта величина плавно возрастает от 7,4 % при температуре эвтектики 1035 °С до 9,4 % при температуре эвтекто-идного превращения 565 °С [1].
Этой области диаграммы соответствуют три фазовых состояния сплава. Фаза а, содержащая большее количество меди, имеет ГЦК-решетку меди и обладает наибольшими пластическими свойствами. Она характерна для бронз БрА5 и БрА7, которые в силу высокой пластичности могут обрабатываться давлением как в горячем, так в холодном состоянии.
Фаза Р имеет решетку ОЦК и представляет собой химическое соединение А1Сиз. Эта фаза пластична только в области высоких температур. Поэтому бронзы с содержанием алюминия более 8 % (например, БрА10) обрабатывают пластически только в горячем состоянии. Область однородности Р-фазы при температуре выше 1000 °С лежит в пределах 9-15 % алюминия. С понижением температуры эта область сужается.
Начиная с температуры 850 °С в сплавах с содержанием алюминия порядка 10 % происходит распад Р-фазы с выделением кристаллов а-фаз. Он завершается при температуре эв-тектоидного превращения 565 °С и при более низких температурах, структура сплава представляет собой смесь пластичных зерен а-фазы и эвтектоида а + У2. Фаза У2, образовавшаяся в результате распада Р-фазы, имеет сложную кубическую решетку и характеризуется высокой твердостью и хрупкостью. Увеличение ее содержания в сплавах приводит к повышению их прочности и снижению пластичности. При медленном охлаждении двойных алюминиевых бронз с большим содержанием алюминия происходит рост зерна и образовавшаяся в результате распада У2-фаза приобретает крупнозернистую структуру. Это обстоятельство наряду с повышением прочности приводит к нежелательному охрупчиванию сплавов.
Повышения их пластичности при сохранении прочности достигают путем создания ус-
ЕТАПЛООБРАБОТК.
ловий для образования более мелкодисперсной структуры. Для этого в сплав меди с алюминием вводится железо — до 4 % по массе. Оно задерживает рекристаллизацию и таким образом уменьшает размер зерна. Кроме того, растворяясь в меди, железо повышает твердость и прочность. Из медно-алюминиевых сплавов, легированных железом, наиболее широкое применение в промышленности находит бронза БрАЖ 9-4, комплекс свойств которой позволяет использовать ее для производства деталей ответственного назначения.
Структура сплава, обеспечивающая получение требуемого уровня механических характеристик, формируется при проведении соответствующей термообработки [3].
Для повышения пластичности бронзы БрАЖ 9-4 рекомендуется проведение одной из двух операций — нормализации или закалки. При нормализации сплав медленно нагревают до 600-700 °С с последующим охлаждением на воздухе. Закалка осуществляется с температурой 950 °С в воду, что способствует сохранению пластичной Р-фазы при низких температурах. Обе операции позволяют избежать образования хрупкого эвтектоида [4].
Напротив, для увеличения твердости и прочности бронзы необходимо создание условий для эвтектоидного распада с образованием у2-фазы. С этой целью рекомендуют после закалки проводить отпуск или старение при температуре 250-300 °С в течение 2-3 ч. В этом случае полнота распада Р-фазы с выделением тонкодисперсной у2-фазы и количественное соотношение между а- и у2-фазами определяют соотношение между пластическими и прочностными характеристиками.
Исследовательская часть
Влияние химического состава и термической обработки на некоторые свойства бронзы БрАЖ 9-4 исследовали на образцах, выре-
занных из прессованных прутков диаметром 130 мм. Прессование осуществлялось при температуре 870 °С из слитков диаметром 400 мм, полученных полунепрерывным методом литья. Отливка слитков проводилась в спрейерные кристаллизаторы с параллельным выходом воды (без выхода воды на слиток).
Химический состав бронзы БрАЖ 9-4 в соответствии с ГОСТ 18175-78, %
Ее Мп Р А1
2-4 До 0,1 До 0,5 До 0,01 8-10
Си РЬ Zn Бп Примеси
Остальное До 0,01 До 1 До 0,1 1,7
В соответствии с этим ГОСТом допускается колебание в содержании основных легирующих компонентов в пределах 2 % (для алюминия от 8 до 10 %, для железа от 2 до 4 %), что должно отражаться и на механических свойствах.
В опытах использовались образцы из прутков, отпрессованных из слитков из разных плавок с содержанием алюминия и железа, близким к нижним, средним и верхним значениям по ГОСТ 18175-78.
Образцы подвергались термической обработке по одному режиму. Нагрев в печи — до 980 °С, выдержка — 30 мин, закалка в воду. Старение осуществлялось при температуре 320 °С, время выдержки — 2 ч.
В качестве прочностной характеристики была выбрана твердость по Бринеллю, которую измеряли в соответствии с ГОСТ 1628-78.
На всех стадиях проводились металлографические исследования. В качестве примера представлены результаты исследований образцов из бронзы БрАЖ 9-4 двух химических составов, близких по содержанию алюминия к среднему значению в соответствии с обозначением марки сплава. Химический состав этих образцов приведен в табл. 1.
В табл. 2 приведены результаты замеров твердости на разных стадиях термообработки. Они показали, что у сплава с содержани-
Таблица 1
Состав А1 Ее N1 Zn РЬ Бп Мп Р
1 8,41 2,68 0,04 0,026 0,011 До 0,001 0,008 0,22 0,009
2 9,18 3,45 0,036 0,04 0,008 До 0,001 0,02 0,1 0,006
Таблица 3
Состав Твердость до закалки НВ 10/1000/30 Температура закалки, °С Время выдержки образца в печи (закалка), мин Твердость после закалки НВ 10/1000/30 Температура старения, °С Время выдержки образца в печи (старение), мин Твердость после старения НВ 10/1000/30
1 102 980 30 106 320 120 114
2 121 980 30 148 320 120 155
ем алюминия менее 8,41 % твердость после закалки осталась на том же уровне, что и в исходном состоянии после прессования. Старение привело к некоторому увеличению твердости (примерно на 7-8 %). Незначительное влияние термообработки на твердость образцов из этого сплава скорее всего связано с небольшими объемами металла, претерпевающего структурные изменения. Подтверждением этого могут служить фотографии шлифов (рис. 2).
У сплава с содержанием алюминия более 9 % наблюдаются значительные структурные изменения, особенно после закалки (рис. 3). Эти изменения сопровождаются и изменением твердости (примерно на 30 % по сравнению с исходными значениями).
Выводы
Таким образом, проведенные исследования показали, что даже у близких по химическому составу сплавов внутри одной марки различие в содержании основных легирующих элементов может существенно сказаться на их поведении при термообработке и, следовательно, на структуре и свойствах.
В общем случае для получения полуфабрикатов с высокой пластичностью и низкой твердостью из бронзы БрАЖ 9-4 следует использовать сплавы с содержанием алюминия и железа, близким к нижнему пределу по ГОСТу. Соответственно материал для полуфабрикатов, к которым предъявляются повышенные
Рис. 2. Макрошлифы образца сплава БрАЖ 9-4 с содержанием алюминия 8,41 % (х 140): а — образец после прессования; б — образец после закалки; в — образец после старения
а) б) в)
Рис. 3. Макрошлифы образца сплава БрАЖ 9-4 с содержанием алюминия 9,18 % (х 140): а — образец после прессования; б — образец после закалки; в — образец после старения
требования по прочности и твердости, должен содержать большее количество легирующих компонентов.
Следует, однако, иметь в виду, что в условиях реального промышленного производства содержание легирующих элементов в различных объемах исходных слитков из-за химической ликвации может существенно отличаться от среднего, что скажется и на уровне механических свойств полуфабриката.
Литература
1. Мальцев М. В. Термическая обработка тугоплавких редких металлов и их сплавов. М.: Металлургия, 1974.
2. Смирягин А. П. Промышленные цветные металлы и сплавы. М: Металлургия, 1974.
3. Жолобов В. В. Прессование металлов. М.: Металлургия, 1971.
4. Осинцев О. Е. Медь и медные сплавы. М.: Машиностроение, 2004.
АО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"»
191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Тел.: (812) 312-44-95,710-62-73, тел./факс (812) 312-57-68.
http//www.polytechnics.ru E-mail: gfm@polytechnics.spb.ru, 710-62-73@polytechnics.ru
