УДК 669.35.5
ПОВЫШЕНИЕ ОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРЕССОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЬФА + БЕТА СВИНЦОВЫХ ЛАТУНЕЙ
© Логинов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., e-mail: j.n.loginov@urfu.ru
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
Овчинников Александр Сергеевич, e-mail: OvchinnikovAS@rzocm.ru
ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов». Россия, Свердловская обл., г. Ревда
Статья поступила 24.10.2013 г.
Выполнен анализ влияния температурных интервалов нагрева слитка из (а+р)-свинцовых латуней на фазовое состояние материала в контейнере пресса и в готовом изделии. Установлено, что оптимальным температурным интервалом прессования является диапазон 780-800 °С, т.е. ниже линии солидус на 100 °С и выше температуры фазового перехода (а+р)-состояния в р-состояние. Выполнен промышленный эксперимент по повышению температуры прессования и установлено улучшение равномерности распределения временного сопротивления по длине заготовки на 8%, однородности распределения относительного удлинения на 34%.
Ключевые слова: прессование; латунь; медные сплавы; а-фаза; р-фаза; горячая деформация; структура; свойства.
В соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 15527 [ 1] к альфа + бета деформируемым латуням относятся сплавы меди с цинком, содержащие более 33% цинка. Двойные латуни хорошо обрабатываются методами холодной деформации [2]. При обработке в горячем состоянии эти латуни обладают свойством понижения прочностных характеристик при увеличении степени деформации [3, 4], что может провоцировать локализацию дефор-
и
1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
10 20
Содержание, ат. % 30 40 50 60 70
80 90
U
1000 800 600 400 200 0
мации. Некоторые латуни легируют другими компонентами для получения специальных свойств. Часто эти элементы вводят в таких количествах, чтобы они полностью растворялись в а- или р-фазах, например, оловянные латуни [5] и, в какой-то мере, латуни сложных составов [6, 7]. Частично сложности производства изделий из свинцовых латуней описаны в работе [8].
В свинцовых латунях свинец присутствует в виде отдельной третьей фазы, повышая трибо-технические свойства изделий и улучшая обрабатываемость резанием. Для пояснения фазового состояния латуни на рис. 1, а приведена диаграмма состояния Си-2п (в увеличенном масштабе) при содержании цинка, соответствующем стехиометрии исследуемого сплава (рис. 1, б). Влияние свинца оценивается с использованием принципа Гийе [9], учитывая изменение содержания цинка на диаграмме состояния. Кажущееся содержание цинка под-считывается по формуле
Л' = 100Л/(100 + В(//-1)), где В - количество третьего компонента; / - коэффициент
б
30
35
419,5
40
Zn, мае. %
45
50
Cu 10 20
30 40 50 60 70 Содержание, мае. %
80 90 Zn
Рис. 1. Диаграмма состояния Си-2п (а) и увеличенная часть этой диаграммы (б) вблизи химического состава латуни рассматриваемой марки: 1 - прямоугольник с основанием, равным полю допуска по содержанию цинка, и высотой, равной температурному интервалу, принятому в практике прессования; 2 - предлагаемый температурный диапазон прессования; 3 - линия солидус, граничащая с областью существования р-фазы
а
2
3
Рис. 2. Возможное изменение фазового состава заготовки двухфазной латуни при высокой (а) и при пониженной (б) температуре нагрева с учетом эффекта захолаживания от инструмента: 1 - пуансон с пресс-шайбой; 2 - контейнер;
3 - матрица
эквивалентности, для свинца к = 1. Если подставить последнее значение в формулу, то получим для свинцовых латуней А = А, и на диаграмме состояния Си-2п роль свинца полностью соответствует роли цинка. Таким образом, номинальное кажущееся содержание цинка в латуни ЛС59-1 (57-60% Си) составляет 40 + 1 = 41%. Поле допуска содержания цинка в соответствии с требованиями стандарта составляет (-1)-(+2)%.
На диаграмме состояния (см. рис. 1, б) длина горизонтальной стороны выделенного прямоугольника 1 соответствует полю допуска кажущегося содержания цинка для латуни ЛС59-1. Длина вертикальной стороны этого же прямоугольника - это температурный интервал нагрева заготовки, принятый в производстве. Видно, что прямоугольник пересекает линия перехода из (а + р)-состояния в р-состояние, поэтому в производственных условиях сплав может находиться в виде смеси фазовых составляющих (а + р) и р. Это приводит к неравномерности истечения металла при прессовании, неоднородности получаемой структуры и повышенным отходам в виде пресс-утяжины.
На этой же диаграмме прямоугольник 2 характеризует условия обработки, примененные в настоящей работе. Для того же состава сплава вертикальная сторона прямоугольника соответствует температурному интервалу 780-800 °С.
Линия 3 на диаграмме состояния (см. рис. 1, б) характеризует температуру солидус - для латуни ЛС59-1 это 900 °С. Видно, что вся область прямоугольника находится за пределами фазового перехода (а + Известно, что обработка сплавов непосредственно вблизи температуры солидус может привести к перегреву или пережогу. Сделано предположение, что прессование при температуре ниже 800 °С, т.е. на 100 °С ниже ликвидуса обеспечивает качественную структуру металла.
При горячем прессовании вблизи температуры фазового перехода а + в о в должно быть учтено неоднородное распределение температуры
по объему очага деформации, что иллюстрируется схемой, показанной на рис. 2, а. Из схемы видно, что слиток, помещенный в контейнер 1, выдавливается пуансоном с пресс-шайбой 2 через отверстие матрицы 3 с образованием заготовки прутка. Если металл нагрет выше температуры перехода в ß-состояние и отсутствуют потери тепла, то реализуется эта схема: в очаге деформации фазовое состояние однородное, а превращение в (а + ß)-структуру происходит после выхода металла из матрицы по мере остывания заготовки. Однако прессование ведут с применением инструмента, нагретого до меньшей температуры (около 400 °С), чем нагрет деформируемый металл. В связи с этим периферийные слои слитка могут оказаться в захоложенном состоянии и перейти из ß-состояния в (а + ß)-состояние не на выходе из матрицы, а внутри очага деформации. Это показано на рис. 2, б наличием двухфазных областей в местах соприкосновения с более холодным инструментом - стенкой контейнера и пуансоном. Пластическая деформация в этом случае будет сопровождаться сильной неоднородностью. Следует отметить, что процесс разогрева матрицы в течение одного цикла прессования может влиять на изменение фазового состояния металла заготовки, ее свойства могут изменяться от выходного конца к утяжинному, это часто наблюдается и в производственных условиях.
Для свинцовых латуней характерна пониженная пластичность в интервале 300-500 °С и область повышенной пластичности при 630-730 °С. В отечественных и зарубежных источниках указываются различные значения этой характеристики. На рис. 3, а приведены механические свойства латуни ЛС59-1 по данным справочника [10], а на рис. 3, б - то же для латуни Cu58Zn40Pb2 по данным ассоциации Copper Development Association [11]. В соответствии с рис. 3, а максимум относительного удлинения достигается примерно при 70%, а по зарубежным данным - около 150% (см. рис. 3, б), что, возможно, связано с различным структурным состоянием сплава или скоростью испытаний.
Во всяком случае, при температуре выше 750 °С наблюдается довольно резкое снижение пластичности металла, что следует учитывать в технологиях его обработки. Скорее всего, вследствие этого в различных источниках информации имеются ограничения на температурный
а
2
3
1
400
300
200
100
- 80
- 60
-40
- 20
200
400 t, °C
600
160 140 120 100 % 80 60 40 20 0
100
Рис. 3. Изменение механических свойств в зависимости от температуры латуни ЛС59-1 по данным [10] (а) и латуни Си582п40РЬ2 по данным [11] (б)
режим обработки, в котором верхняя граница располагается именно вблизи указанного значения, в том числе и при прессовании. Авторы [12] для свинцовых латуней ЛС59-1, ЛС58-2, ЛС60-2 устанавливают интервал прессования 650-700 °С. Существуют отклонения от рекомендованных режимов, они вызваны необходимостью получения в медном сплаве третьих фаз. Например, японская фирма Toto Ltd получила патент США US6458222 [13], в котором описан способ производства полуфабрикатов из латуни с добавками свинца, включающий нагрев заготовок до 300-650 °С и последующее горячее прессование. Такая низкая температура нагрева объясняется стремлением сохранить в сплаве у-фазу, образовавшуюся в результате повышенного содержания в латуни олова (до 7%).
В описании к патенту 2016134 РФ [14] со ссылкой на техническую документацию Каменск-Уральского завода ОЦМ нагрев заготовок из свинцовой латуни ограничен 740 °С. Допуск на температуру нагрева установлен в диапазоне ±40 °С, т.е. интервал 700-780 °С. Следует отметить, что в производственных условиях обычно стремятся назначить температуру нагрева заготовок, близкую к нижней границе температурного интервала, преследуя цель снижения окалинообразования и уменьшения потерь металла. Верхнюю границу используют, если не хватает усилия пресса, например, при применении длинных слитков или больших коэффициентов вытяжки.
В соответствии с рекомендациями, приведенными в спр авочнике [14, с. 769], темпер атур а нагр ева предназначенных для прессования слитков из латуней ЛС59-1, ЛС63-3 устанавливается на уровне 650-780 °С в зависимости от диаметра слитка и вида полуфабриката, что не противоречит вышеприведенным данным технологии КУЗОЦМ. Однако анализ состояния свинцовых (а + ß)-лaтуней
в довольно широком температурном диапазоне позволил сделать вывод о наличии в материале двух структурных составляющих: (а + р)-структуры и р-фазы, причем в зависимости от температуры пресс-изделия устанавливается определенное соотношение фаз, не контролируемое изготовителем.
Изучение НДС при прессовании показывает, что, на первый взгляд, стационарный процесс прессования часто не может обеспечить постоянные характеристики по длине отпрессованного материала [15, 16]. В результате свойства полуфабриката оказываются не ста
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.