Термическая обработка цветных сплавов

Термическая обработка меди и латуни

Медь

Это наиболее распространенный в технике и промышлен­ности цветной металл, обладающий высокой пластичностью, теп­лопроводностью и электропроводимостью. На основе меди образо­вывают технические сплавы — латунь и бронзу.

Медь применяют для производства листов, ленты, проволоки методом холодной деформации. В процессе деформации она теря­ет пластичность и приобретает упругость. Потеря пластичности затрудняет прокалку, протяжку и волочение, а в некоторых слу­чаях делает невозможной дальнейшую обработку металла.

Для снятия иагартовки или наклепа и восстановления пласти­ческих свойств меди проводят рекристаллизационный отжиг по режиму: нагрев до температуры 450—500° С со скоростью 200—220° С/ч, выдержка в зависимости от конфигурации и массы изделия от 0,5 до 1,5 ч, охлаждение на спокойном воздухе. Струк­тура металла после отжига состоит из равноосных кристаллов, прочность σв=190 МПа, относительное удлинение δ = 22%.

Латунь

Сплав меди с цинком называют латунью. Различают двухкомпонентные (простые) латуни, состоящие только из меди, цинка и некоторых примесей, и многокомпонентные (специальные) латуни, в которые вводят еще один или несколько легирующих элементов (свинец, кремний, олово) для придания сплаву тех или иных свойств.

Двухкомпонентныелатуни в зависимости от способа обработки подразделяют на деформируемые и литейные.

деформируемые двухкомпонентные латуни (Л96, Л90, Л80, Л63 и др.) обладают высокой пластичностью и хорошо обрабаты­ваются давлением, их используют для изготовления листов, лен­ты, полос, труб, проволоки и прутков разного профиля.

Литейные латуни применяют для отливки фасонных деталей. В процессе холодной обработки давлением двухкомпонентные ла­туни, как и медь, получают наклеп, вследствие которого возраста­ет прочность и падает пластичность. Поэтому такие латуни под­вергают термической обработке — рекристаллизационному отжигу по режиму: нагрев до 450—650° С, со скоростью 180—200° С/ч, выдержка 1,5—2,0 ч и охлаждение на спокойном воздухе. Проч­ность латуни после отжига σ_Β = 240-320 МПа, относительное уд­линение δ = 49-52%·

Латунные изделия с большим внутренним напряжением в ме­талле подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, изделия перед длительным хранением под­вергают низкотемпературному отжигу при 250—300° С.

Наличие в многокомпонентных (специальных) латунях легирующих элементов (марганца, олова, никеля, свин­ца и кремния) придает им повышенную прочность, твердость и высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и мор­ской воде. Наиболее высокой устойчивостью в морской воде обла­дают латуни, легированные оловом, например ЛО70-1, ЛА77-2 и ЛАН59-3-2, получившие название морской латуни, их применяют в основном для изготовления деталей морских судов.

По способу обработки специальные латуни подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые латуни используют для получения полуфабрикатов (листов, труб, ленты), пружин, деталей часов и приборов. Литейные многокомпонентные латуни применяют для изготовления полуфабрикатов и фасонных деталей методом литья (гребные винты, лопасти, детали арматуры  и т.п.). Требуемые механические свойства специальной латуни обеспечи­вают термической обработкой их, режимы которой приведены в таблице. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой деформируемые латуни для листов, лент, полос подвергают от­жигу при температуре 450—500° С.

Таблица

Режимы термической обработки специальных латуней *

* Охлаждающая среда — воздух.

Термическое  упрочнение  бронзы

Бронза — сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, алюмини­ем, бериллием и другими элементами. По основному легирующему элементу бронзы разделяют на оловянные и безоловянные (спе­циальные), по механическим свойствам — на деформируемые и литейные.

Деформируемые оловянные бронзы марок Бр.ОФ8-0,3, Бр.ОЦ4-3, Бр.ОЦС4-4-2,5 выпускают в виде прутков, лент, проволоки для пружин. Структура этих бронз состоит из α-твердого раствора. Основным видом термической обработки бронз является высокий отжиг по режиму: нагрев до 600—650° С, выдержка при этой температуре в течение 1—2 ч и быстрое охлаж­дение. Прочность после отжига σ_в — 350-450 МПа, относительное удлинение б= 18—22%, твердость НВ 70—90.

Литейные оловянные бронзы марок Бр.ОЦ5-5-5, Бр.ОСНЗ-7-5-1, Бр.ОЦСЗ,5-7-5 используют для изготовления анти­фрикционных деталей (втулок, подшипников, вкладышей и др.). Литейные оловянные бронзы подвергают отжигу при 540—550° С в течение 60—90 мин.

Безоловянные бронзы Бр.5, Бр.7, Бр.АМц9-2, Бр.КН1-3  идругие марки имеют высокую прочность, хорошие антикоррози­онные и антифрикционные свойства. Из этих бронз изготовляют шестерни, втулки, мембраны и другие детали. Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при 700—750° С с последующим быстрым охлаждением. Отливки, име­ющие внутренние напряжения, отжигают при 550° С с выдержкой 90—120 мин.

Наиболее часто в промышленности применяют двойные -алюминиевые бронзы марок Бр.А5, Бр.А7 и бронзы, до­бавочно легированные никелем, марганцем, железом и другими элементами, например Бр.АЖН10-4-4. Эти бронзы используют для различных втулок, фланцев, направляющих седел, шестерен и других небольших деталей, испытывающих большие нагрузки.

Двойные алюминиевые бронзы подвергают закалке и отпуску по режиму: нагрев под закалку до 880—900° С со скоростью 180—200° С/ч, выдержка при этой температуре 1,5—2 ч, охлажде­ние в воде; отпуск при 400—450° С в течение 90—120 мин. Струк­тура сплава после закалки состоит из мартенсита, после отпус­ка—из тонкой механической смеси; прочность бронзы σ_в = 550МПа, δ = 5%, твердость НВ 380—400.

Бериллиевая бронза Бр.Б2 — сплав меди с бериллием. Уникальные свойства — высокая прочность и упругость при одно­временной химической стойкости, немагнитность и способность к термическому упрочнению — все это делает бериллиевую бронзу незаменимым материалом для изготовления пружин часов и при­боров, мембран, пружинистых контактов и других деталей. Высо­кая твердость и немагнитность позволяют использовать бронзу в качестве ударного инструмента (молотки, зубила), не образующе­го искр при ударе о камень и металл. Такой инструмент применя­ют при работах во взрывоопасных средах. Бронзу Бр.Б2 закали­вают при 800—820° С с охлаждением в воде, а затем подвергают искусственному старению при 300—350° С. При этом прочность сплава σ_Β=1300 МПа, твердость HRC37—40.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы  разделяют на неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые. К неупрочняемым алюминиевым сплавам относят сплавы марки АМц2, АМг2, АМгЗ, имеющие невысокую прочность и высокую пластич­ность; их применяют для изделий, получаемых глубокой вытяж­кой, упрочняют холодной обработкой давлением (нагартовкой).

Наиболее распространены сплавы, упрочняемые термической обработкой. К ним относят дюралюминий марок Д1, Д16, Д3П, в состав которых входят алюминий, медь, магний и марганец. Ос­новными видами термического упрочнения дюралюминия являют­ся закалка и старение. Закалку проводят при 505—515° С с после­дующим охлаждением в холодной воде. Старение применяют как естественное, так и искусственное. При естественном старении сплав выдерживают в течение 4—5 сут, при искусственном — 0,8—2,0 ч; температура старения — не ниже 100—150°С; проч­ность после обработки σ_Β = 490 МПа, 6=14%. Сплавы Д1 и Д16 применяют для изготовления деталей и элементов строительных конструкций, а также изделий для летательных аппаратов.

Авиаль (АВ, АВТ, АВТ1)—это деформируемый сплав, обла­дающий более высокой пластичностью, свариваемостью и корро­зионной стойкостью, чем дюралюминиевые; подвергают закалке в воде при 515—525° С и старению: сплавы АВ и АВТ — естествен­ному, сплав АВТ1 — искусственному при 160° С с выдержкой 12—18 ч. Применяют авиаль для производства листов, труб, ло­пастей винтов вертолетов и т. п.

Высокопрочные (σ_в=550-700 МПа) алюминиевые сплавы В95 и В96 имеют меньшую пластичность, чем дюралюминий. Термиче­ская обработка этих сплавов заключается в закалке при 465—475° С с охлаждением в холодной или горячей воде и искус­ственном старении при 135—145° С в течение 14—16 ч. Применяют сплавы в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при 100—200° С.

Ковочные алюминиевые сплавы марок АК1, АК6, АК8 подвер­гают закалке при 500—575° С с охлаждением в проточной воде и искусственному старению при 150—165° С с выдержкой 6—15 ч; прочность сплава σ_Β = 380-460 МПа, относительное удлинение δ = 7-10%.

Литейные алюминиевые сплавы называют силуми­нами. Наиболее распространены термически упрочняемые сплавы марок АЛ4, АЛ6 и АЛ20 Отливки из сплавов АЛ4 и АЛ6 зака­ливают при 535—545° С с охлаждением в горячей (60—80° С) воде и подвергают искусственному старению при 175° С в течение 2—3 ч; после термической обработки σ_в=260 МПа, δ = 4-6%, твердость НВ 75—80. Для снятия внутренних напряжений отливки из этих сплавов отжигают при 300° С в течение 5—Ю ч с охлаж­дением на воздухе. Жаропрочные сплавы марок АЛ 11 и АЛ20, идущие для изготовления поршней, головок цилиндров, топок кот­лов, работающих при 200—300° С, подвергают закалке (нагрев до 535—545° С, выдержка при этой температуре в течение 3—6 ч и охлаждение в проточной воде), а также стабилизирующему отпус­ку при 175—180° С в течение 5—10 ч; после термической обработ­ки σ_в=300-350 МПа, δ=3-5%.

Термическая  обработка  магниевых  и  титановых  сплавов

Магниевые сплавы

Основными элементами в магниевых спла­вах (кроме магния) являются алюминий, цинк, марганец и цир­коний. Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы марок МА1, МА8, МА14 подвергают термическому упрочнению по режиму: на­грев под закалку до 410—415° С, выдержка 15—18 ч, охлаждение на воздухе и искусственное старение при 175° С в течение 15—16 ч; после термообработки σ_Β = 320~430 МПа, δ = 6-14%. Сплавы МА2, МАЗ и МА5 термической обработке не подвергают; их при­меняют для изготовления листов, плит, профилей и поковок.

Химический состав литейных магниевых сплавов(МЛ4, МЛ5, МЛ12 и др.) близок к составу деформируемых, но пластичность и прочность литейных сплавов значительно ниже. Это связано с грубой литейной структурой сплавов Термическая обработка отливок с последующим старением способствует раство­рению избыточных фаз, сконцентрированных по границам зерен и повышению пластичности и прочности сплава.

Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов (фазовые превращения протекают мед­ленно), что требует большой выдержки под закалку и старение. По этой причине закалка сплавов возможна только на воздухе. Старение литейных магниевых сплавов проводят при 200—300° С; под закалку их нагревают до 380—420° С; после закалки и старе­ния   σ_в = 250-270 МПа.

Магниевые сплавы можно применять, как жаропрочные, спо­собные работать при температурах до 400° С. Вследствие высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяют в авиа­ции, ракетостроении, автомобильной и электротехнической про­мышленности. Большим недостатком магниевых сплавов является низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере.

Титановые сплавы

Титан является одним изважнейших совре­менных конструкционных материалов; обладает высокой проч­ностью, повышенной температурой плавления (1665° С), малой плотностью (4500 кг/м³) и высокой коррозионной стойкостью даже в морской воде. На основе титана образовывают сплавы повышен­ной прочности, широко применяемые в авиации и ракетостроении, энергомашиностроении, судостроении, химической промышленности и других областях промышленности. Основными добавками в ти­тановых сплавах являются алюминий, молибден, ванадий, марга­нец, хром, олово и железо.

Титановые сплавы марок ВТ5, ВТ6-С, ВТ9 и ВТ16 подвергают отжигу, закалке и старению. Полуфабрикаты (прутки, поковки, трубы) из сплава, дополнительно легированного оловом (ВТ5-1), проходят рекристаллизационный отжиг при 700—800° С в целях снятия наклепа. Листовые титановые сплавы отжигают при 600—650° С. Длительность отжига поковок, прутков и труб состав­ляет 25—30 мин, алистов — 50—70 мин.

Высоконагруженные детали из сплава ВТ14, работающие при температуре 400° С, закаливают с последующим старением по ре­жиму: температура закалки 820—840° С, охлаждение в воде, ста­рение при 480—500° С в течение 12—16 ч; после закалки и старе­ния: σ_в=1150-1400 МПа, 6 = 6—10%, твердость HRC56—60.