Термическая обработка литейных сплавов

Согласно классификатору ювелирных материалов (см. рис 4.4) основными сплавами являются благородные сплавы на серебряной, золотой и платиновой основах, а также медные, алюминиевые и цинковые сплавы. Преимущественной термообработкой всех перечисленных сплавов является закалка и старение. Теория и назначение данного вида термообработки описаны выше. В настоящем параграфе будет сообщено о применении закалки и старения для литых сплавов на алюминиевой и медной основах, а также о гомогенезационном и гетерогенизационном отжигах на конкретных примерах.

Согласно положению сплава на диаграмме состояния литейный дюралюмин марки Д1, содержащий 3,8% Си, 0,8% Mg, 0,6% Мп, остальное — А1, после затвердевания в условиях равновесия должен иметь однофазную a-структуру. Скорость охлаждения при кристаллизации сплава < 1°С/с соответствует литью в песчано-глинистые смеси и в оболочковые формы. Однако при охлаждении сплава в кокиле, литье под давлением и прессовании при кристаллизации со скоростью охлаждения от 20 до 150°С/с кристаллизация проходит в неравновесных условиях. В сплаве в некотором количестве появляются продукты эвтектической кристаллизации. Количество эвтектической составляющей тем больше, чем больше содержание меди и магния в сплаве.

Рис. 7.3. Микроструктуры:

а —литого дюралюмина Д1 (х250). Дендриты алюминиевого твердого раствора (светлые) и фаза CuAl ₂ (серая). Фаза S и марганцовистая составляющая ввиду их малых количеств при данном увеличении не обнаруживаются; б — закаленного дюралюмина (х500). Видны зерна алюминиевого твердого раствора и включения нерастворимых фаз; в — состаренного дюралюмина (х 200). На шлифе, кроме a-твердого раствора, видны темные включения марганцовистой фазы При последующем охлаждении вследствие резкого уменьшения растворимости меди и магния в алюминии происходит распад твердого раствора с выделением соединения СиА1₂ и в небольшом количестве фазы S (Al₂MgCu) (рис. 7.3). Обе фазы вызывают упрочнение сплава.

Режимы закалки и старения подбираются конкретно для каждого состава сплава индивидуально (в приведенном случае — закалка от 500 °C, старение при 20 °C в течение 4 сут) и в основном не претерпевают изменений в зависимости от деформированного или литого состояния сплава. Однако при дендритной ликвации ряд механических свойств становятся неоднородными, в частности сплавы начинают сильнее корродировать.

Как сообщалось ранее, дендритную ликвацию можно устранить, если сплав отжечь при температурах на 50—100°С ниже линии солидус.

Для разных литейных сплавов существуют два вида отжига: гомогонизационный и гетерогенизационный.

В однофазных сплавах, например, в литой однофазной оловянистой бронзе, содержащей 5% олова и закристаллизовавшейся в кокиле со скоростью охлаждения 25°С/с, главный процесс при гомогенизации — выравнивание состава зерен твердого раствора, т. е. устранение внутрикристаллической ликвации (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Микроструктура литой оловянистой бронзы с 5% Sn:

а — видны темные оси дендритных зерен бедного оловом твердого раствора. Промежутки между осями — твердый раствор, обогащенный оловом (хЗОО); б — микроструктура той же бронзы после отжига (х 150). При отжиге происходит выравнивание состава внутри зерен, и сплав принимает полиэдрическое строение¹

В других однофазных сплавах, например, в медноникелевом сплаве с непрерывном рядом твердых растворов, устранение внутрикристаллической ликвации происходит так, как показано на рис. 7.5. В при;

¹ Мальцев М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1970.

веденном сплаве, содержащем неравновесную избыточную фазу, при гомогенизации протекают два основных процесса: выравнивание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворение неравновесных избыточных фаз. Оба процесса протекают в течение длительного времени. В основе этих процессов лежит диффузия, поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным.

а б

Рис. 7.5. Микроструктура сплава Си — 20% Ni (хЮО):

а — после литья; б — после отжига при 1000 °C в течение 40 ч¹

Если цель гомогенизации — повышение пластичности, то за оптимальное время гомогенизационного отжига можно принять время полного растворения неравновесного избытка фаз. Значение гомогенизации особенно велико для фасонных ювелирных отливок из алюминиевых сплавов. К этим отливкам гомогенизационный отжиг как самостоятельную операцию не применяют. Гомогенизация органически входит в операцию нагрева под закалку фасонных отливок сложного профиля. Этот нагрев проводят при таких высоких температурах и длительных выдержках, чтобы в твердый раствор перешло максимально возможное количество избыточных фаз.

В большинстве цветных сплавов матричной фазой является твердый раствор на базе основного металла, а избыточной — соединение. К таким материалам относятся все термически упрочняемые сплавы на медной, алюминиевой, серебряной и других основах, например серебряно-медные сплавы, бериллиевая бронза, термоупрочняемые силумины, легированные медью, цинком и другими присадками.

В литейных сплавах гетерогенизационный отжиг применяют, как правило, в тех случаях, когда растворимость одного из компонентов в твердом состоянии значительно изменяется с температурой. Например, в сплаве системы Ag—Си, содержащем 8,8% Си, структура двух;

¹ Новиков И. И. Теория термической обработки металлов.

фазна. Если сплав был отлит в кокиль, т. е кристаллизация проходила при высокой скорости охлаждения (20—25°С/с), то (3-фаза выделяется не полностью. В процессе прессования сплава при его кристаллизации (жидкая штамповка) скорость охлаждения резко увеличивается и составляет приблизительно 150°С/с, (3-фаза — вообще не образуется (автор). В этом случае проводится гетерогенизационный отжиг, при котором при нагреве выше линии ограниченной растворимости при температуре 770 °C образуется a-твердый раствор, а при последующем очень медленном охлаждении до комнатной температуры формируются частицы (3-фазы, которые выделяются полностью. Поэтому охлаждение отливок при гетерогенизационном отжиге следует проводить с печью.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Какие основные операции включает термическая обработка?
• 2. Какие виды отжига вам известны?
• 3. Какие три вида закалки различают?
• 4. Для чего проводят старение?
• 5. Какой основной вид термообработки применяют для литейных дюроалюминиевых сплавов? Дайте последовательность операций при термообработке сплава Д1.