You need to upgrade your Flash Player
Дисперсионное твердение Печать E-mail

ДИСПЕРСИОННОЕ ТВЕРДЕНИЕ — НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНЫЙ ПУТЬ К СИНТЕЗУ НОВЫХ СПЛАВОВ

А.К. Николаев, С.А. Костин

ОАО «Институт Цветметобработка»

Одним из путей радикального влияния на качество сплавов является изменение их макро- и микроструктуры, включая морфологию выделений фазовых составляющих. Такое изменение приводит с одной стороны, к повышению свойств сплавов, а с другой, - открывает возможность деформировать «недеформируемые» сплавы, совмещать термическую обработку с деформацией при строго определенных температурах, связанных с фазовыми изменениями в структуре сплавов, а также с пайкой конкретных изделий.

В качестве объектов для исследований и будущего синтеза новых сплавов были выбраны несколько медных композиций, используемых в качестве основы металлических сеток бумагоделательных машин и теплообменных агрегатов (паяных частей автомобильных и тракторных радиаторов; паяно-сварных камер сгорания).

Как можно понять по назначению примеров разрабатываемых сплавов, целью настоящей информации является показать возможности создания вновь или введения в известную, уже зарекомендовавшую себя  положительно в каком-то качестве композицию сплава, дополнительных ингредиентов. Обычно это уже проверенные элементы, легко входящие в химическое взаимодействие с образованием интерметаллидов, выделяющиеся при кристаллизации с измельчением литой структуры и распаде пересыщенного твердого раствора с образованием мелкодисперсных фазовых составляющих многопланового действия.

Независимо от назначения будущих сплавов хотелось бы для начала показать, как изменяется макро- и микроструктура сплавов при грамотном подходе к синтезу новых сплавов: будь-то «чисто» дисперсионно твердеющие сплавы или когда дисперсионное твердение приобретается уже сформированными системами определенных сплавов.

В процессе работы медь легировали оловом, цинком, фосфором, никелем, кобальтом, кремнием, железом, хромом, марганцем, алюминием, цирконием, магнием, титаном.

В работе изготовлены и испытаны около семидесяти медных сплавов как безоловянных, так и содержащих в качестве основного легирующего элемента олово в количестве 6,5 — 8,5%, цинк и хром. В зависимости от назначения сплавов изучали временное сопротивление разрыву, пределы текучести и упругости, усталостную прочность, пластичность, теплопроводность, термостойкость при заданных температуре и напряжении,  износостойкость в специальных средах, способность к пайке и сварке по строго определенным температурно-временным режимам, способность к горячей деформации высокооловянных бронз и термической обработке, совмещенной с горячей и теплой деформацией.

В работе широко использовались математические методы планирования экспериментов, аналитическо-статистическая обработка их результатов, корреляционный анализ, что позволило в несколько раз сократить количество исследуемых сплавов и сложных экспериментов.

Эксплуатационная способность синтезированных в результате четырех новых сплавов сравнивалась со сплавами фирм «Оутокумпу» (Финляндия), «Беркенхофф и Ко» (Германия), отечественными жаропрочными теплопроводными медными сплавами, в том числе с хромовыми бронзами.

В результате работы определены составы и технологические параметры производства требуемых полуфабрикатов.

1) Применительно к основе металлических сеток бумагоделательных машин - сплав системы Cu-Sn-Co-Si-Cr, который из упрочняемых холодной  деформацией  сплавов  систем  Cu-Sn  и  Cu-Sn-P становится дисперсионно твердеющим (нанофазным сплавом) с выделяющимися при старении мелкодисперсными упрочнителями  Co2Si  и Cr3Co5Si2 В итоге  измельчение  и   равномерное  распределение  оловянной  δ -фазы Cu3Sn8 позволило подвергнуть опытные литые заготовки из сплава бездефектному горячему деформированию (прокатке с 45 до 4 мм и прессованию с 83 на 10 мм). Износостойкость основы сетки из нового сплава в среде каолина минимум в 2 раза выше, чем у лучших зарубежных аналогов.

2) Для решения проблемы латунных частей паяных меднофосфористым припоем автомобильных радиаторов были также разработаны дисперсионно твердеющие сплавы на основе латуни Л75 и ЛК75-0,5, когда в результате их легирования фосфидами или силицидами никеля удалось совместить кратковременный, сравнительно высокотемпературный нагрев под пайку 620-650º С с их старением увеличив в 1,5-2 раза прочностные свойства, определенные  техническим заданием. «Медная» теплопроводная часть радиаторов (медные ленточные полосы) под те же условия пайки (кратковременно при  620-650º С) может  быть  решена  низколегированным  медным  сплавом  системы  Cu-Cr-Mg-Zr.

3) Проблема паяно-сварных камер сгорания решалась путем сложного по составу теплопроводного жаропрочного медного сплава, когда в процессе его производства использовались и совмещенные процессы прессования с закалкой, и теплой деформации со старением. После высокотемпературной пайки и заданного термоциклирования  600100º С новый сплав выдерживал в среднем 170 циклов против 8, показанных применяемой в настоящее время хромовой бронзой БрХ0,8.

В заключение нужно отметить, что нанофазность, представленная в докладе дисперсионно твердеющими сплавами, а также дисперсно-упрочненные и композиционные материалы на основе порошковой металлургии, являются самыми яркими представителями «новомодных», так называемых, наноматериалов, полученных металлургическим путем, кстати, уже более ста лет тому назад. Перспективы улучшения свойств сплавов, в том числе таких, как жаропрочность во всех ее проявлениях, в данном случае являются поистине беспредельными. Здесь достаточно вспомнить явление эстафетного упрочнения, фактическую свободу исходных размеров заготовок и изделий, возможность их жесткого соединения высокотемпературной пайкой и сваркой.