» » Применение защитных атмосфер
20.01.2015

Безокислительная термическая обработка наряду с экономией дефицитных цветных металлов и вспомогательных материалов (травители, вода) уменьшает трудоемкость производства, исключает операцию травления, снижает загрязнение окружающей среды из-за меньшего объема сбрасываемых кислых промышленных стоков, сокращает затраты на строительство очистных сооружений.
При использовании защитных атмосфер безвозвратные потери металла практически отсутствуют. Медные сплавы в соответствии с требованиями к составу защитных атмосфер можно разбить на следующие группы:
1. Медь, бронзы оловянные, оловянноцинковые, оловяннофосфористые, латуни Л96—Л90, медноникелевые сплавы типа мельхиора.
2. Бронзы, легированные бериллием, хромом, цирконием, марганцем, кремнием, алюминием и титаном.
3. Сплавы меди, содержащие более 20% Zn (латуни, нейзильберы).
Для любого сплава данной группы оптимальной будет одна и та же защитная атмосфера (табл. 18).
Для первой группы — это атмосфера экзотермического газа или инертного газа, содержащего 2—3% восстановителей. Для второй и третьей групп, исключая латуни, — нейтральные атмосферы высокой степени очистки или смеси их с водородом, вакуум с остаточным давлением 1.33 0,133 Па. В указанных атмосферах поверхность металла сохраняется неокисленной при длительных отжигах в печах садочного типа. При этом отношение отражательной способности поверхности до и после отжига близко к единице.
Применение защитных атмосфер

На поверхности меди, оловяннофосфористой, оловянноцинковой бронз, латуней Л96—Л90, относящихся к первой группе, при отжиге на воздухе при температурах 600° С и выше образуется отслаивающаяся окалина черного цвета. При отжиге на воздухе уменьшается отражательная способность меди и бронз в 4—6 раз по сравнению с неотожженными полуфабрикатами. Практически поверхность изделия считается чистой, блестящей, если отражательная способность составляет 80—65%. Такая поверхность получается на меди и фосфористой бронзе при отжиге в вакууме, эндотермическом газе, аргоне, углекислом газе, водороде и очищенном азоте. Оловянноцинковые бронзы, отожженные в парах воды или двуокиси углерода, имеют более низкую отражательную способность, чем медь, из-за осаждения на их поверхности окиси цинка.
Светлый отжиг меди и бронз при температурах 500—600° С можно вести даже в атмосферах, содержащих избыточное количество CO2 и H2O. Поэтому в защитных средах типа эндо- и экзотермического газов можно получить светлую неокисленную поверхность.
Бериллиевая и кремнемарганцевая бронзы, относящиеся ко второй группе сплавов, окисляются на воздухе значительно менее интенсивно, чем медь. При 800° С масса возрастает на 0,08 и 0,20 мг/(см2*ч) соответственно. Образующиеся окисные пленки плотно прилегают к металлу и имеют небольшую толщину (~10 мкм); отражательная способность поверхности 20—30%. Уменьшение скорости окисления объясняется образованием защитных окисных пленок, состоящих преимущественно из окислов легирующих элементов, обладающих значительно большим сродством к кислороду, чем медь. В то же время из-за повышенного сродства указанных элементов к кислороду сплавы окисляются да же при ничтожно малом содержании окисляющих реагентов в газовых смесях. Поэтому при температурах 700—800° C в смесях Н2+Н2О и CO+CO2 происходит такое же окисление, как и в чистых H2O и CO2. Аналогично влияют на окисление сплавов атмосферы эндо- и экзотермических газов, хотя скорость окисления уменьшается по сравнению с воздухом вдвое.
Чистая неокисленная поверхность на этих сплавах сохраняется при нагреве в вакууме (рост=1,33*10в-2 Па), аргоне и очищенном азоте при скорости потока менее 0,01 м/мнн. Отражательная способность поверхности близка к исходной. Состав газовой среды не влияет на механические свойства отожженных сплавов.
Применение защитных атмосфер

Для безокислительного нагрева специальных бронз, относящихся ко второй группе сплавов, предпочтительнее использовать нейтральные атмосферы высокой степени очистки от газов-окислителей пли вакуум с остаточным давлением 1,33*10в-2 Па Требования к составу защитной атмосферы определяются природой легирующих элементов.
Наибольшие трудности возникают при безокислительном нагреве сплавов третьей группы, К ним относятся латуни, содержащие более 20% Zn, и нейзильберы.
Трудности получения неокисленной поверхности на этих сплавах заключаются в низкой упругости диссоциациии окиси цинка и сравнительно большой упругости па ров цинка при повышенных температурах.
Латуни при повышенных температурах не только окисляются с поверхности, но и образуют зону внутреннего окисления из-за диффузии кислорода внутрь изделия. Реагируя со свободным и связанным кислородом (пары воды, углекислый газ), пары цинка превращаются в распыленный окисел, который осаждается на холодных поверхностях в виде дисперсного порошка белого цвета.
Чем больше цинка содержится в сплаве, тем выше требования к составу газовой среды и режиму светлого отжига. При взаимодействии с воздухом на латуни уже при 300° С образуется окисная пленка лимонно-желтого цвета, которая с повышением температуры переходит в белесовато-серую, характерную для окиси цинка, состоящую из кристаллов вытянутой игольчатой формы.
С увеличением температуры и продолжительности нагрева возгонка цинка в средах восстановительного действия резко возрастает, уменьшение в массе достигает иногда 30% от первоначального. В двухфазных латунях поверхностный слои значительно обедняется цинком, вплоть до исчезновения β-фазы, иногда на глуби ну до 1 мм (рис. 57). На пример, при отжиге в атмосфере 96% N2 и 4% H2 латуни после трехчасовой выдержки приобретают блестящую поверхность розоватого цвета меди вследствие возгонки цинка. Это явление весьма нежелательно, так как приводит при дальнейшей прокатке к образованию трещин и рябизне поверхности (красные пятна). Поэтому для светлого отжига латуней в садочных печах даже слабовосстановительные атмосферы применяться не могут.
Применение защитных атмосфер

Наиболее приемлемая атмосфера — азот, но присутствие в техническом азоте 0,01% О2 уже достаточно для окисления латуней.
Окисления можно избежать, уменьшая скорость газового потока над металлом. При температуре 550°С окисление латуни уменьшается с изменением скорости потока азота от 0,50 до 0,03 м/мин. Ниже приведено изменение массы на единицу поверхности:
Применение защитных атмосфер

Отсутствие окисной пленки облегчает возгонку цинка, поэтому наблюдается некоторая потеря массы металла (0,03 мг/(см2*ч). Незначительную возгонку цинка при 550° С можно подавить, увеличивая избыточное давление газовой среды над металлом. При давлении азота выше 1000 Па (при свободном истечении газа давление составляет 10—20 Па) достигается блестящая неокисленная поверхность, не отличающаяся по отражательной способности от исходного состояния, и цинк не возгоняется (Δр/S=0).
Таким образом, для светлого отжига медноцинковых сплавов следует использовать в качестве защитной среды газы с большой плотностью — типа азота, содержащего менее 0,001% O2, с точкой росы около минус 60° С; в рабочем пространстве давление газа должно быть более 1000 Па.
Сводные данные по потерям металла при нагреве в различных газовых средах приведены в табл. 19.
Применение защитных атмосфер