Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемыми атмосферами
Леонидова М.Н., Шварцман Л.А., Шульц Л.А.
Металлургия, 1980 г.
НЕЙТРАЛЬНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ
Медные сплавы по требованию, предъявляемому к составу контролируемых атмосфер, делят на три группы [35, 36]:
1) медь; бронзы оловянные, оловянно-цинковые, оловянно-фосфористые; латуни Л96—Л98; медноникелевые сплавы типа мельхиор; 2) сплавы с бериллием, марганцем, кремнием, хромом; 3) сплавы, содержащие более 15% Ζn(латуни и нейзильбер).
Температура отжига меди 370—700° С. Свободный кислород окисляет медь. Водяной пар при низких температурах вызывает наплывы, а при высоких — окисление меди, так как диссоциирует с образованием кислорода. В присутствии катализатора, например оксидов железа, диссоциация возрастает. Применение пара в качестве защитной атмосферы при средних температурах отжига (550° С) сохраняет исходную светлую поверхность, но остающаяся местами на поверхности металла влага при охлаждении дает наплывы. Если поверхность меди покрыта оксидной пленкой, то пар не восстанавливает ее.
Водород поглощается медью и при наличии кислорода в металле понижает содержание кислорода сначала на поверхности, а затем по мере диффузии во внутренних слоях и в глубине металла. Образующийся при этом водяной пар (например, при содержании в меди 0,01% 02 образуется 14 см3 Н2О/100 г меди) не способен диффундировать и его возрастающее давление разрушает металл (явление водородной хрупкости). Водородной хрупкости подвержена только кислородсодержащая медь. При отжиге в атмосфере С02 на меди образуется сажа. Светлый отжиг меди рекомендуется проводить в атмосфере неосушенного и неочищенного экзогаза с содержанием водорода порядка 5%. Восстановительный потенциал такого газа обеспечивает осветление исходной поверхности меди, а содержание водорода не достаточно для появления водородной хрупкости.
Медные сплавы, содержащие никель, до 15% цинка или олова, в газовых средах при температурах термической обработки ведут себя аналогично чистой меди.
Отжиг бронз проводят при температуре 430—760° С.
При отжиге бронзы и мельхиора в водяном паре их поверхность окисляется до цветов побежалости, когда γ = 0,5 (у — отношение отражательной способности поверхности до и после отжига). После нагрева и охлаждения до температуры 80—100° С в атмосфере неосушенного и неочищенного экзогаза с содержанием водорода примерно 5% поверхность бронзы и мельхиора практически не изменяется.
Загрязнение атмосферы печи смазкой, остающейся на поверхности изделий, подвергаемых термической обработке, вызывает потускнение поверхности при отжиге указанных медных сплавов. Смазка может быть полностью удалена в результате предварительного вакуумирования садки с подогревом ее до 200° С.
Сплавы меди, легированные бериллием, марганцем, кремнием и хромом, имеющими большее сродство к кислороду, чем медь, окисляются даже при малом содержании кислородсодержащих компонентов в газовой фазе. При этом указанные элементы, образуя на поверхности сплавов защитные оксидные пленки, замедляют окисление меди. Так, в начальный период окисление происходит почти по параболической зависимости. С ростом защитных пленок процесс тормозится.
Неокисленная поверхность сохраняется при нагреве в очищенном азоте. При этом отражательная способность поверхности остается на уровне исходного образца.
Старение деталей электротехнической промышленности и приборостроения, например контактов, цанг из бериллиевой бронзы, проводят в аргоне при температуре 320° С.
К сплавам меди, содержащим более 15% цинка, относятся латуни и нейзильберы. Практически применяемые латуни содержат до 50% цинка. Простые латуни содержат только медь и цинк. Специальные латуни, кроме того, могут содержать кремний, свинец, олово, алюминий, никель и т. д. Температура отжига латуней зависит от степени деформации при обработке давлением и составляет 370—760° С.
При разработке режима светлого отжига латуни следует учитывать наличие в ней кислородсодержащих газов, низкую температуру кипения цинка и высокое сродство цинка к кислороду [37].
При наличии кислородсодержащих газов в латуни последняя окисляется в любой атмосфере.
Низкая температура кипения цинка (905,4° С) способствует его улетучиванию, в результате чего латунь обедняется им. Возгонка цинка вызывает появление субграниц и микропористости, что делает поверхность латуней шероховатой и матовой даже при отсутствии оксидов. Восстановление первоначального состояния такой поверхности легкой очисткой невозможно. Возгонка цинка возрастает с повышением температуры и увеличением продолжительности нагрева (рис. 27, 28), а также с увеличением содержания цинка в латуни (см. рис. 27). Возгонка цинка начинается при 450° С и ощутима уже при температуре 560° С. Кроме того, обесцинкивание латуни зависит от газового режима печи, определяемого составом (рис. 29, 30) и давлением атмосферы (рис. 31), а также скоростью потока этой атмосферы.
Если атмосфера наводит на поверхности плотную оксидную пленку, то последняя препятствует возгонке. Влияние атмосфер, не окисляющих латунь, зависит от их плотности: чем больше плотность, тем меньше улетучивание цинка.
Повышение давления газовой фазы снижает возгонку цинка (рис. 31). Аналогично действует насыщение газовой фазы парами цинка. Фирма «Siemens» подвергает латунь термической обработке при давлении атмосферы в печи ~50 кПа.
На рис. 32 показано обесцинкивание латуни в водородной атмосфере. Наименьшее обесцинкивание наблюдается в неподвижной атмосфере.
Цинк окисляется кислородсодержащими компонентами атмосферы С02 и Н20. Обеспечение приведенных выше условий равновесия цинка с кислородсодержащими компонентами атмосферы предотвращает окисление латуней. При этом латунь должна охлаждаться в атмосфере до температуры 40°С. Охлаждение в воде окисляет поверхность, даже если печная атмосфера обеспечивает светлый отжиг.