» » Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов
20.01.2015

В табл. 17 представлены марки и режимы термической обработки основных промышленных дисперсионно твердеющих сплавов на медной основе.
Все эти сплавы претерпевают фазовые превращения в твердом состоянии и подвергаются закалке без полиморфного превращения. Закалка или обработка на твердый раствор преследует две цели: подготовить сплав к старению и добиться максимальной пластичности для дальнейшей деформации.
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

Если закалке подвергают нагартованный материал, то при нагреве под закалку в нем развиваются процессы возврата и рекристализации. Как и при рекристаллизационном отжиге высокая степень деформации (выше 30°) низкая температура и короткое время нагрева дают мелкое зерно Наоборот, малые степени деформации, длительное время нагрева и высокие температуры приводят к грубозернистым структурам. Крупные зерна могут образоваться вследствие нагрева под закалку в материале предварительно пластически деформированном на 5—15%.
Температура нагрева под закалку должна обеспечивать возможно бoлee полное растворение избыточных фаз в матричной фазе и находиться в двойной системе между линиями сольвуса и солидуса. Хотя процессы растворения избыточных фаз значительно ускоряются с повышением температуры, нагрев в непосредственной близости к пинии солидуса технологически нерационален. В этом случае из-за возможного перепада температур в садке и неточности теплового контроля возникает опасность пережога изделия Отсюда вытекает строгое требование контролировать температуру в закалочных печах с точностью +/- 10° С. Заметим, что слишком высокие температуры нагрева под закалку могут привести также к роет\ зерна до недопустимых размеров.
Время выдержки определяется полнотой процессов растворения избыточных фаз. Чем дисперснее избыточная фаза, тем быстрее она растворяется. Деформированные сплавы выдерживают меньшее время, чем литые. Если избыточная фаза полностью не растворена, то получить оптимальные свойства после старения не представляется возможным. Длительные нагревы, помимо задолженности печей, приводят к росту зерна, сильному окалинообразованию и нежелательному увеличению диффузионной зоны, состоящей из окислов легирующего элемента.
Охлаждение при закалке должно быть достаточно резким, чтобы исключить распад пересыщенного матричного раствора в процессе охлаждения. Закалка в воде дает большие остаточные термические напряжения и вызывает поводку и коробление изделия. Поэтому при выборе закалочных сред следует руководствоваться критическими скоростями.
Критические скорости охлаждения при закалке можно оценить из термокинетических диаграмм фазовых превращений. На рис. 50 приведена для примера термокинетическая диаграмма для латуни ЛАНКМц75—2—2,5—0,5—0,5 состава, % (по массе) : 75,6 Cu; 2,0 Al; 2,1 Ni; 0,61 Si, 0,68 Mn На диаграмме четко различаются два кинетических максимума, соответствующие двум стадиям распада:
1) высокотемпературной (выше 520° С) с образованием крупнопластинчатых выделений; 2) низкотемпературной (ниже 520° С) с образованием дисперсных частиц.
Сплавы на основе меди отличаются высокой прокаливаемостью из-за высокой теплопроводности. Например изделия из бериллиевой бронзы, обладающей наименьшей теплопроводностью, закаливаются в сечении 200 мм.
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

Если полуфабрикат подлежит старению, закалка может быть не очень резкой, так как температура максимального упрочнения при старении находится внутри температурного интервала стадии низкотемпературного распада, протекающего при непрерывном охлаждении. Поэтому важно не допустить высокотемпературного распада, при котором выделяется стабильная фаза крупных размеров, в связи с чем уменьшается вклад низкотемпературного распада в общее упрочнение. Полуфабрикаты, подвергаемые в дальнейшем пластической деформации, необходимо закаливать со скоростями не меньше критической скорости охлаждения.
Если промежуток времени между извлечением из печи и переносом в закалочную ванну относительно большой, то это может вызвать значительные изменения свойств и в пределах одного изделия, и по всей садке. Если конфигурация одиночного изделия проста, а масса большая, то колебания свойств невелики из-за не очень быстрой потерн температуры. Разброс свойств по садке может достигать значительных величин, так как после извлечения садки из печи изделия, лежащие сверху, остывают быстрее и эффект их закалки будет меньше по сравнению с изделиями, лежащими под ними. Поэтому конструкция закалочных агрегатов должна обеспечивать непосредственное погружение изделия из печи в охлаждающую ванну.
Качество закаленного металла контролируют металлографически либо по величине удельной электропроводности.
Температуру и продолжительность старения определяют экспериментально в каждом отдельном случае с учетом требуемых свойств конкретного полуфабриката или изделия. В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств старение подразделяют на полное, неполное и стабилизирующее.
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

Дополнительное повышение прочности медных сплавов и твердости можно получить холодной деформацией независимо от того, когда ее вести — между закалкой и старением или после них. В обоих случаях при одинаковой степени деформации достигаются одинаковые твердость и прочность. Деформация после старения не представляет затруднений, так как материал достаточно пластичен. При необходимости получения наибольшей электропроводности деформация между закалкой и старением более выгодна.
Рассмотрим более детально принципы выбора упрочняющей термической обработки бериллиевых бронз. Растворимость бериллия в меди при 870° С составляет приблизительно 2,3% (по массе) и падает до 0,2% при комнатной температуре. При закалке с высоких температур в бериллиевых бронзах фиксируется пересыщенный твердый раствор и они приобретают способность к старению. Из-за опасности роста зерна сплавы БрБ2 и БрБ2,5 нагревают под закалку до температуры 770-790° С, а сплавы БНТ1,9 и БНТ1,7 - до 760-780° С. Повышение температуры нагрева под закалку способствует пересыщению твердого раствора бериллием и вакансиями. Оба эти фактора ускоряют распад при последующем старении. Однако пластичность сплавов при старении снижается и ухудшается штампуемость.
Снижение температуры нагрева под закалку интенсифицирует при старении прерывистый распад в сплаве БрБ2, который приводит к образованию грубой двухфазной структуры с некогерентными выделениями. Из за преимущественной локализации прерывистого распада по межзеренным границам сплав охрупчивается. Объемная доля зон приграничного распада в состаренной бронзе БрБ2 составляет 30, 20 и 12% при закалке с температур 760, 780 и 800° С соответственно.
Критическая скорость охлаждения бериллиевых бронз составляет 30—60° С/с Слишком медленное охлаждение при температурах ниже 580°С приводит к образованию по межзеренным границам сетки у'-фазы Замедленное охлаждение между 580 и 260° С обусловливает преждевременное выделение из твердого раствора фазы-упрочнителя и, следовательно, приводит к уменьшению способности к последующему старению Введение в бериллиевую бронзу никеля и кобальта заметно замедляет фазовые превращения, а следовательно, уменьшает критическую скорость охлаждения. Дисперсионное твердение бериллиевых бронз дает возможность получать широкую гамму свойств.
Обычно бериллиевые бронзы подвергают НТМО. Hиже приведены оптимальные режимы старения полосы БрБ2 толщиной 0,5 мм, обжатой после закалки на 40%:
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

Предварительная холодная прокатка с обжатием 20-40% ускоряет прерывистый распад, но с увеличением обжатия от 50 до 90% он подавляется. Равномерный распад по всему объему обеспечивает получение высоких упругих характеристик в сплаве БрБ2.
Режимы старения выбирают в зависимости от требуемых физико-механических свойств. На рис. 52 показано влияние времени старения бериллиевой бронзы на временное сопротивление при разных температурах старения. Полное искусственное старение, обеспечивающее максимальную прочность, проводится при температуре (320±10)°С в течение двух часов. Режимы неполного искусственного старения, обеспечивающие заданный уровень свойств (пунктир на рис. 52), соответствуют восходящим ветвям кривых 1, 3 и 4 на рис. 52. Его проводят или при сравнительно низких температурах и длительных выдержках (режим 1 — 290° С; 2—3 ч), или при температуре полного старения, но укороченных выдержках (режим 3 — 320°С; 30—50 мин), и, наконец, при повышенных температурах и коротких выдержках (режим 1 — 370°С; 7—10 мин).
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

При решении вопроса, какому режиму старения - неполному старению или перестариванию — отдать предпочтение следует руководствоваться темп свойствами, которые являются определяющими в эксплуатации данного изделия. Это может быть повышенная ударная вяз кость удовлетворительная способность к формоизменению после старения, стабильность в работе, повышенная электро- или теплопроводность, минимальное коробление и деформация при старении, высокая коррозионная стойкость и т. д.
Неполное старение приводит к большей пластичности при заданном уровне прочности. Это связано с более быстрым ростом в процессе старения временного сопротивления по сравнению с пределом текучести. Технологическое время при неполном старении относительно невелико, и в ряде случаев требуется тщательный его контроль.
Перестаривание облегчает контроль при длительных выдержках, так как свойства полуфабриката не слишком сильно зависят от времени. Большая полнота выделения упрочняющей фазы обусловливает более высокий уровень электропроводности у, минимальный уровень остаточных напряжении, сравнительно высокий модуль упругости и повышенную пластичность (рис. 53).
Принципы выбора режимов закалки и старения дисперсионно твердеющих сплавов

В большинстве случаев термическая обработка продолжительностью более двух часов экономически невыгодна, а менее 10 мин — не позволяет осуществлять эффективный контроль.
Ступенчатое или двойное старение можно проводить по двум схемам: 1) неполное старение с последующим повторным старением. Такой процесс позволяет легко контролировать пластичность, прочность и твердость и заключается в длительном нагреве ниже 320° С или кратковременном выше 320° C с последующим непродолжительным старением выше первоначальной температуры; 2) старение на максимальную прочность при высокой температуре в интервале 320-360° С с последующим длительным старением (8-24 ч) при 260-290° С. При такой обработке выделяется несколько большее количество упрочняющей у-фазы, в результате чего повышают прочность, твердость, электропроводность Скорость охлаждения после старения не лимитируется.
Остаточные напряжения после старения можно уменьшить низкотемпературным отжигом без изменения прочности и твердости. Изделие нагревают до 150-200° С в течение 15-30 мин. Эту обработку часто используют для снятия машинных, правочных или формирующих напряжении и таким образом стабилизируют форму и размер изделия.