металлов

 

Для улучшения физико-механических свойств сплавов цветных металлов применяют практически все основные виды термообработки.

Так, сплавы, претерпевающие при нагреве (охлаждении) фазовые превращения в твердом состоянии, подвергают:

Ÿ закалке и отпуску (старению),

Ÿ гомогенизирующему и рекристаллизационному отжигу.

Сплавы без фазовых превращений в твердом состоянии могут отжигаться с целью уменьшения неравновесности структуры и повышения пластичности. Проводятся также химико-термическая и термо-механическая обработка некоторых сплавов.

Алюминиевые сплавы. Промышленные сплавы алюминия содержат чаще всего не более 10% легирующих элементов, а их структура состоит из малолегированного твердого раствора и выделений интерметаллидов Al₂Cu, Al₂CuMg, Mg₂Si и др. В этих сплавах наблюдается лишь один вид фазовых превращений: растворение (выделение) интерметаллидов при нагреве (охлаждении).

Практически все сплавы алюминия в равновесном состоянии весьма пластичны и малопрочны, но чаще всего их структура неравновесна.

В литых сплавах в связи с неравновесным охлаждением интерметаллиды могут образовывать ободки вокруг зерен твердого раствора, что резко снижает пластичность. Для устранения неравновесности слитки деформируемых сплавов подвергают гомогенизирующему отжигу. Температуру отжига выбирают по диаграмме состояния. Для ряда сплавов (например, А1 — Си) диаграммы состояния имеют вид, аналогичный приведенной на рисунке 36. Так

.

 

как внутрикристаллитная ликвация способствует появлению в некоторых участках сплава неравновесных эвтектик (точка е', рис. 36), нагрев желательно производить до температуры, не превышающей эвтектическую t_эвт, но не ниже температуры полного растворения фазы А1₂Си — выше линии eF (рис. 36). Следует медленно нагревать сплав, применяя выдержки с целью активизации диффузионных процессов. Гомогенизация выравнивает химический состав внутри зерен, неравновесная часть интерметаллидов растворяется, а выделившиеся вновь распределяются более равномерно по сечению слитка. Пластичность резко возрастает.

 

 

Рис.36. Схема, показывающая изменение среднего состава кристаллов при неравномерной кристаллизации

 

Для промышленных алюминиевых сплавов температура гомогенизации 450...520 °С, выдержка 4...40 ч. В результате отжига возрастает сопротивляемость коррозии под напряжением.

Неравновесная структура, полученная при горячей или холодной деформации, устраняется рекристаллизационным отжигом, широко применяющимся в качестве промежуточной операции между горячей и холодной прокаткой и при холодной прокатке. Реже его используют для окончательной термообработки полуфабрикатов с целью улучшения их свойств. Промышленные сплавы отжигают в течение 0,5...2 ч при температуре 300...500 °С.

Термически упрочняемые алюминиевые сплавы (например, дуралюмины) подвергаются разупрочняющему отжигу, который проводится перед холодной обработкой давлением закаленных и состаренных сплавов. Охлаждение выполняют медленно, чтобы твердый раствор успевал обедниться медью. Режим отжига подбирают, исходя из двух условий: 1) температура должна обеспечивать быстрое протекание диффузионных процессов; 2) время отжига должно быть удобным для практики. Промышленные сплавы отжигают в течение 1...2 ч при температуре 350...450 °С.

Алюминиевые сплавы, в которых возможно значительное пересыщение твердого раствора легирующими элементами (за счет растворения интерметаллидов оно может превышать равновесную концентрацию в десятки раз), подвергаются закалке и отпуску (старению). Такие сплавы относятся к термически упрочняемым.

Закаливают сплавы, содержащие медь, магний, кремний, цинк, т. е. элементы, растворимость которых в алюминии сильно изменяется с температурой. Бесперспективна закалка сплавов, содержащих только железо, никель, хром, так как растворимость их практически не меняется при нагреве. Охлаждение с температуры раст­ворения избыточных фаз (/₃, рис. 36) ведется в воде.

Закаленные сплавы обладают повышенной прочностью при сохранении практически той же пластичности. Однако закалка не является конечной операцией — она подготавливает алюминиевые сплавы к старению: фиксируется пересыщенный твердый раствор, увеличивается концентрация точечных дефектов. Старение значительно повышает прочность сплавов при некотором понижении пластичности. Например, закалка в воде дуралюмина Д16 с температуры 495...505 °С повышает σ_в с 200 до 300 МПа при δ = 23...25%. После старения пластичность несколько понижается (δ ≤ 18%), а прочность растет (σ_в≈450 МПа). Старение выражается в частичном распаде пересыщенного твердого раствора или в структурных изменениях, подготавливающих этот распад. Распад пересыщенных твердых растворов приближает структуру сплава к равновесной и ведет к уменьшению свободной энергии системы. Поэтому старение закаленных сплавов может идти спонтанно, а распад пересыщенного твердого раствора — протекать при вылеживании металла (естественное старение) или при температуре 100...200 °С (искусственное старение).

Изменение свойств алюминиевых сплавов после старения обусловлено образованием зон Гинье — Престона (ГП) — объемов металла, обогащенных медью. Обогащение может быть весьма большим и в пределе стремится к 52% Си — составу фазы А1₂Си.

Титановые сплавы. Для улучшения свойств титановых сплавов применяют отжиг, закалку, старение, химико-термическую обработку. Титан и его

α; -сплавы подвергают отжигу первого рода для снятия внутренних напряжений, вызванных предварительной деформацией. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуру α→β; -перехода, так как β- фаза отличается чрезвычайно быстрым ростом зерна. Поэтому отжиг титана и его α; -сплавов производят при 670...800 °С в течение 3 ч (желательно в вакууме).

Отжиг α+β; -сплавов проводится для стабилизации β' -фазы, так как эвтектоидный распад охрупчивает сплавы. Поэтому температура отжига должна обеспечивать такое количество легирующих элементов в (β' -фазе, которое способно предотвратить ее распад при охлаждении. Низкая температура отжига (750...850 °С) обеспечивает повышенную концентрацию элементов в β' -фазе, но ее количество будет небольшим.

Кроме того, для α+ β' -сплавов применяют изотермический отжиг, заключающийся в нагреве до температур, обеспечивающих прохождение рекристаллизации, охлаждении до температур высокой стабильности β; -фазы и выдержке при этой температуре.

Двухфазные α+ β' -сплавы подвергают закалке и старению. Эффект упрочнения обусловлен образованием метастабильных фаз. Обычно закалку производят из β; -состояния быстрым охлаждением (в воде), реже из (α+ β;)-области. В последнем случае увеличиваются степень легированности β; -фазы и прочность сплавов при повышенных температурах. Характер превращения обусловлен степенью легированности сплавов. Если концентрация элементов меньше критической (С_кр, рис. 24, II), закалка приводит к образованию мартенсита (α' -фаза). Этот игольчатый пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α' -титане имеет ГПУ кристаллическую решетку. Твердость и прочность α' -фазы выше, чем α; -фазы, но упрочнение не так велико, как при мартенситном превращении в стали. В отличие от стали большинство закаленных титановых сплавов обладает достаточно высокой пластичностью. Если концентрация легирующих элементов больше критической, мартенсит приобретает ромбическую кристаллическую структуру, т. е. α' -фаза перестраивается в α"; -фазу.

Легирующие элементы снижают температуру начала и конца мартенситного превращения, что позволяет (при определенной ихконцентрации) зафиксировать переохлажденную β; -фазу при комнатной температуре (β; ' -фаза).

Старение α' -фазы сопровождается выделением β; -фазы различной дисперсности. Это разупрочняет сплав, уменьшая искаженность кристаллической решетки матрицы. В случае выделения интерметаллидов типа TiCr₂ сплав охрупчивается.

При недостаточно быстром охлаждении при закалке, а также при старении сплавов с β^' -фазой при температуре 300...350 °С образуется метастабильная ω; -фаза с ГПУ решеткой, резко, как и α"; -фаза, охрупчивающая сплавы. Поэтому необходимо охлаждать сплавы с достаточной скоростью и проводить старение при 500...550 °С.

Остановимся кратко на химико-термической обработке титановых сплавов. Перспективен метод азотирования в среде сухого, очищенного от кислорода азота или в газовой смеси азота с аргоном в течение 10...50 ч при температуре 850...950 °С. Азотированный слой имеет глубину 0,1...0,15 мм и твердость 700... 1000 HV, а тонкий поверхностный слой (толщиной 5...20 мкм) состоит из нитридов и его твердость равна 1500 НV. С целью уменьшения хрупкости азотированного слоя и повышения его сцепления со сплавом проводится отжиг (в вакууме) при температуре 800...900 °С. Азотирование улучшает антифрикционные свойства титана и его сплавов, повышает износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность, усталостную прочность и т. д.

Широкое применение получает оксидирование титана и его сплавов. При нагреве титана на воздухе до температуры 725...825 °С в течение 5... 10 ч на его поверхности образуется обогащенный кислородом слой толщиной 0,02...0,05 мм. Последующий отжиг в вакууме при 750...850 °С придает слою хорошее сцепление с металлом, высокую твердость, хорошие антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в ряде сред.

Медь и ее сплавы. Чистую и технически чистую медь при холодной прокатке подвергают промежуточным рекристаллизационным отжигам при температуре 500...600 °С, что обеспечивает повышение ее пластичности. Более высокие температуры опасны — возможны перегрев или пережог.

Основной вид термообработки латуней — отжиг I рода при 600...700 °С. Охлаждение ведут в воде или на воздухе. Для получения мелкозернистой структуры α; -латуней (d = 0,025...0,05 мм), обеспечивающей хорошее качество поверхности при глубокой вытяжке, температура отжига не должна превышать 450...550 °С.

Двухфазные α+ β' -латуни подвергают отжигу с фазовой перекристаллизацией. Медленное охлаждение с температур отжига обеспечивает максимальное количество α; -фазы и, следовательно, повышение пластичности в холодном состоянии. При быстром охлаждении фиксируются большое количество β' -фазы, что повышает прочность латуни.

Гомогенизирующий отжиг оловянных бронз при 700...800 °С способствует выравниванию их химического состава. В сплавах с содержанием 8... 14% Sn длительные выдержки позволяют получить однофазную α; -структуру. Бронзы, содержащие более 14% Sn, после гомогенизирующего отжига сохраняют некоторое количество охрупчивающей ее второй фазы, но последующая закалка с температуры 700...750 °С придает им хорошую обрабатываемость давлением в горячем состоянии.

Алюминиевые бронзы подвергают гомогенизации при 800......900 °С, рекристаллизационному отжигу при 650...800 °С, упрочняющей термообработке — закалке и отпуску. Термически упрочняемая бронза Бр АЖН 10—4—4 закаливается с 900 °С и отпускается при 400 °С. Применяют и другой режим: закалка с 900 °С в воде, отжиг в течение 1,5...2,0 ч при 650 °С. Параметры закаленной бронзы этой марки: σ_в= 600...650 МПа, НВ 200...240, δ = 5%. Термически упрочняются также бронзы Бр АЖМцК 10—4—1—О, Бр МцК 12—2, Бр Б2 и др.