Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемыми атмосферами

Леонидова М.Н., Шварцман Л.А., Шульц Л.А.
Металлургия, 1980 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемыми атмосферами
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.