^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.3:669-122.4:539.4.015
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ МЕДИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
© 2015 г. Ю. Н. Логинов, С. Л. Демаков, М. А. Иванова, А. Г. Илларионов, М. С. Карабаналов, С. И. Степанов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Институт материаловедения и металлургии, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 28
e-mail: unl@mtf.ustu.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.; в окончательном варианте — 22.07.2014 г.
Выполнены эксперименты по отжигу горячекатаной кислородсодержащей меди в диапазоне температур 300...700°C и исследованы свойства и структура металла после такого воздействия. Для исследования применены методы измерения механических свойств металла: построение диаграмм растяжения, определение временного сопротивления, условного предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения, твердости, модуля упругости. Структурные исследования выполнены методами оптической и электронной микроскопии. Установлено, что наиболее существенное снижение после отжига выше температуры 500°C претерпевает условный предел текучести (до 62% для меди, отожженной при 600°C). Выявлен феномен сфероидизации пор вокруг частиц оксидов меди при температуре отжига 600°C. Выявлено, что отжиг горячекатаной меди при температуре 500...600°C приводит к повышению пластических свойств металла за счет развития механизма сфероидизации пор и снижения влияния концентраторов напряжений.
Ключевые слова: медь, катанка, структура, отжиг, рекристаллизация, механические свойства.
Б01: 10.7868/80015323015020096
ВВЕДЕНИЕ
В технологии обработки меди и ее сплавов [1] обычно не принято производить отжиг полуфабрикатов, подвергнутых горячей обработке давлением, т.е. деформационному воздействию, осуществляемому выше температуры рекристаллизации. Считается, что материал, прошедший такую обработку, находится в рекристаллизован-ном, достаточно пластичном состоянии и его можно обрабатывать методами холодной обработки. Следует отметить, что процессы динамической рекристаллизации в чистой меди наблюдали даже при комнатной температуре в ходе интенсивной пластической деформации сдвигом под давлением [2]. Однако в разделе учебника [3], посвященном отжигу цветных металлов и сплавов, отмечается возможность проведения полного отжига горячедеформированных полуфабрикатов термически упрочняемых сплавов на основе алюминия, магния, меди с целью их смягчения перед последующей холодной деформацией. При этом в ходе такого отжига могут протекать и ре-кристаллизационные процессы в результате сохранения частичного наклепа в материале после горячей деформации. В ряде случаев высокотем-
пературный отжиг горячекатаного подката является обязательной операцией для получения необходимого комплекса свойств, например класса Hi B, в электротехнической анизотропной стали [4]. Изучению свойств меди электротехнического назначения, т.е. содержащей мало примесей, негативно влияющих на электропроводность, посвящен ряд работ [5—8]. В то же время практически нет работ по изучению влияния отжига горячекатаной электротехнической меди на структуру и свойства. Здесь можно отметить работу [9], в которой изучали влияние параметров рекристалли-зационного отжига на формирование структуры и свойств поликристаллической меди, подвергнутой теплой и горячей деформации, и установили, что параметры отжига могут существенно изменять как структурные, так и механические характеристики. Однако проведенные исследования осуществлялись не на промышленных полуфабрикатах электротехнической меди. Различают две группы марочных составов электротехнической меди: бескислородную и кислородсодержащую. В больших промышленных масштабах выпускается кислородсодержащая медь, при этом заготовкой для кабельного производства может выступать литой [10] или горячекатаный материал [11].
В связи с вышеизложенным в настоящей работе рассмотрены различные режимы отжига для горячекатаной кислородсодержащей меди и проанализированы последствия такого термического воздействия на металл.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве изучаемого материала применили катанку из кислородсодержащей меди марки М001 (зарубежный аналог — медь марки ЕТР). Химический состав меди по ГОСТ Р 53803-2010 [12] (ррт по массе): висмут, селен, теллур до 2; сурьма до 4; мышьяк, свинец до 5; сера до 15; железо до 10; серебро до 25, кислород до 400. Для исследованных образцов содержание кислорода находилось в пределах 231...278 ррт, а содержание примесей — в пределах допустимых стандартом.
Катанка диаметром 8 мм получена по схеме непрерывного литья-прокатки CONTIROD при поперечных размерах литой заготовки 70 х 120 мм. Исходная литая заготовка имеет дендритное строение и высокий уровень анизотропии [13, 14]. Особенности горячей прокатки в данном виде технологии описаны в статьях [15, 16], структурное состояние катанки в работе [17], а возможные колебания ее геометрии и их причины — в работе [18]. Конечная температура прокатки на выходе из последней прокатной клети составила 610...630°С.
Катанку в виде выпрямленных отрезков предварительно подвергли испытаниям без термической обработки при рабочей длине образцов 200 мм и скорости проведения испытаний 100 мм/мин, скорость деформации при этом изменялась в диапазоне 0.006.0.008 с-1. Получены свойства на уровне: временное сопротивление разрыву ств, = 225.240 МПа, условный предел текучести ст02 = 111.127 МПа, относительное удлинение до разрыва 8 = 40.43%, равномерное относительное удлинение 8р = 33.34%, относительное сужение шейки 79.82%.
Образцы катанки подвергали отжигу в воздушной атмосфере при различных температурах (300, 400, 500, 550, 600 и 700°С) с использованием лабораторной печи, применяя два вида охлаждения -на воздухе и в воде. Остывание на воздухе имитировало медленный вариант охлаждения металла в условиях, близких к равновесным, а в воде — ускоренное охлаждение (процесс закалки) для фиксации неравновесного высокотемпературного состояния. После отжига оценивали структурное состояние и измеряли механические свойства на растяжение. Параметры испытаний следующие: длина базы образца 100 мм, скорость перемещения захвата 100 мм/мин, скорость деформации при этом изменялась в диапазоне 0.012.0.017 с-1.
Измерение механических свойств выполняли на испытательной машине Instron 3382 с записью диаграмм растяжения.
Анализ структуры проводили на темплетах, вырезанных в поперечном сечении, с помощью оптического микроскопа Olympus GX 51 с программным пакетом анализа изображений SIAMS 700 при увеличениях от 50 до 1000 крат, а также на растровом электронном микроскопе ZEISS CrossBeam AURIGA при ускоряющем напряжении 20 кВ.
Данные дюрометрических испытаний получены с помощью прибора MHTX CSM Instruments по методике Оливера и Фарра при нагрузке 1Н и скорости нагружения около 50 мкм/мин. Прибор позволяет одновременно с твердостью оценить модуль упругости материала.
Металлографические исследования и дюро-метрические испытания проводили на образцах, вырезанных в поперечном сечении катанки.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проведении механических испытаний рабочую часть образцов пришлось уменьшить с 200 мм (требования стандарта) до 100 мм из-за ограниченности рабочего пространства лабораторной печи. Предварительно подвергли растяжению образцы с различной рабочей частью: 100 мм и 200 мм с целью установить соответствие результатов. На рис. 1 отображены диаграммы растяжения для этих типов образцов. Здесь показателем деформации выступает относительное удлинение
sz = 100 (L1 - L0)/L0, (1)
L0 и L1 — длины образца до и после испытания.
Показателем напряженного состояния выступает напряжение одноосного растяжения а: условное ау и истинное аи:
ау = ВД, (2)
аи = P/F, (3)
где P — сила растяжения, F и F0 — начальная и текущая площади поперечного сечения образца.
Из рис. 1 следует, что при изменении рабочей части образца изменяется форма кривых растяжения. При этом в условных напряжениях максимумы кривых совпадают. Это означает, что значения временного сопротивления как условного напряжения не различаются (составляют 232 МПа). Однако разница проявляется в значениях относительного удлинения при разрыве. Для базовой длины 200 мм относительное удлинение 8 составило величину 42%, а для базовой длины 100 мм оно равно 58%, т.е. в 1.4 раза больше. Сравнение диаграмм истинных, а не условных напряжений показывает, что кривые растяжения совпадают примерно до 30% деформации, а затем расходятся.
250
св
С
0
450 400 350 300 250 200 150 100 50
0
20
40
£х, %
60
80
80
а тра 200 -
е
м
а р 150 -
а
п
е и 100 -
Я
е ¡^ 45
а я 50
00
0
217
41
209
77 79
50 50 45 46
ст02, МПа
ств, МПа □ Вода
5, %
8р, %
□ Воздух
%
Рис. 2. Свойства катанки, полученной после отжига при 600°С в течение 10 мин и охлаждения с различной скоростью.
280
Рис. 1. Диаграммы растяжения образцов катанки с различной длиной рабочей части (числа в таблице) в условных (а) и истинных (б) напряжениях.
В результате проведенного эксперимента выяснили, что длина образца катанки при механических испытаниях влияет на показатели относительного удлинения и практически не сказывается на значениях временного сопротивления.
Термическая обработка часто приводит к различным результатам в зависимости от скорости охлаждения металла. В случае отжига меди влияние на свойства мог оказать кислород, который содержится в меди за пределами растворимости. Влияние растворенного кислорода на свойства меди отслежено, например, в статье [19]. Поэтому были выполнены опыты по измерению свойств катанки при изменении скорости охлаждения от температуры 600°С в двух вариантах: при закалке в воду и при медленном охлаждении на воздухе.
Результаты испытаний представлены на рис. 2. Как видно из диаграммы, при быстром охлаждении после нагрева до 600° С условный предел текучести возрос на 4 МПа (9%), временное сопротивление увеличилось на 8 МПа (4%), показатели пластичности или остались неизменными или несколько уменьшились. В целом, изменение свойств под
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.