Дослідження впливу режимів термічної обробки на властивості та структуру латуні марки.
Науковий керівник: д.т.н., проф. Горбатенко Володимир Петрович
Реферат на тему випускної роботи
Зміст
Метали знаходять широке застосування в сучасній техніці завдяки як хімічним, так і фізичним властивостям. p align="justify"> Спільність фізичних властивостей металів (висока електрична провідність, теплопровідність, ковкість, пластичність) пояснюється спільністю будови їх кристалічних решіток.
В даний час роль сплавів на основі кольорових металів зростає з кожним роком. Крім металургії, машинобудування, суднобудування та інших областей техніки, що давно склалися, металеві матеріали цієї групи застосовують у приладобудуванні, електронній, ядерній, кріогенній техніці, радіотехніці, авіації, космонавтиці, медицині.
Латуні завдяки своїм якостям знайшли широке застосування у машинобудуванні, хімічній промисловості, у виробництві побутових товарів. Переваги латуні сприяють стабільному планомірному зростанню споживання її у всіх галузях промисловості. Цей метал затребуваний практично скрізь - від виробництва ручок дверей і годинникових шестерень до виготовлення найскладніших теплообмінників в енергетиці [1].
1. Латуні. Загальна характеристика, класифікація
Латунь - це подвійний або багатокомпонентний сплав на основі міді, де основним легуючим елементом є цинк, іноді з додаванням олова, нікелю, свинцю, марганцю, заліза та інших елементів [2]. Латунь виплавляли ще до зв. е., причому до кінця 18 ст. її отримували плавкою міді з цинковою рудою, змішаною з деревним вугіллям. Лише у 19 ст. цей спосіб був повсюдно витіснений прямим сплавленням міді з цинком. Завдяки хорошійоброблюваності тиском у гарячому та холодному станах, високим механічним властивостям, красивому кольору та порівняльній дешевизні латуні – найпоширеніші з мідних сплавів. З них отримують листи, стрічки, прутки, труби, дріт (латуні, що деформуються), а також виливки (ливарні латуні). При збільшенні вмісту цинку колір латуні змінюється від червоного до світло-жовтого. На малюнку 1.1 представлено діаграму стану металу Cu – Zn [3].
Рисунок 1.1 – Діаграма стану системи Cu – Zn
2. Загальні властивості латуні
2.1 Прості латуні
Твердість, межа плинності, межа міцності та пластичність простих латунів вища, ніж у міді. Загалом ці показники зростають із збільшенням вмісту цинку. Найкращою пластичністю має Л68 (найбільша глибина витяжки для листів, найбільше перегинів для дроту). У Л63 кількість β-фази незначна і вона мало відбивається на пластичності Л63 та її здатність до обробки тиском при низьких температурах, але вимагає суворого дотримання режиму охолодження [5].
З простих латунів проводиться прокат усіх видів. Всі прості латуні мають гарні ливарні властивості та можуть використовуватися для виробництва виливків. Антифрикційними властивостями прості латуні, як і мідь, не мають.
2.2 Спеціальні латуні
Спеціальні латуні мають більшу міцність, кращу корозійну стійкість до більшого числа середовищ у порівнянні з простими латунями. Більшість спеціальних латунів мають добрі антифрикційні властивості. Багато з них стійкі до морської води (олов'яні, алюмінієві, крем'янисті. марганцеві), перегрітої пари (марганцеві латуні) і т.д. Деякі з них поєднують відмінні корозійні властивості з добрими антифрикційними властивостями(ЛК65-1.5-3, ЛО90-1, ЛЖМц59-1-1). Особлива стійкість окремих латунів до конкретних середовищ у специфічних умовах експлуатації визначає сферу їхнього переважного застосування.
Найпоширенішими є свинцеві латуні. Їхня головна властивість – відмінна оброблюваність різанням. Це проявляється у можливості швидкісної обробки заготовок із малим зносом інструменту. При цьому утворюється дрібна сипуча стружка, що визначає чистоту оброблюваної поверхні і мінімальну наклеп при різанні. Це визначає застосування свинцевих латунів виготовлення дрібнорозмірних деталей для точної механіки. Їхньою негативною стороною є низька ударна в'язкість, низька міцність на вигин за наявності надрізу. Найпоширенішою із свинцевих латунів є ЛС59-1 [6].
Найкращу оброблюваність має латунь ЛС63-3. По відношенню до неї оцінюють оброблюваність кольорових металів та вуглецевих сталей (у відсотках).
Майже всі латуні є непоганим конструкційним матеріалом при низьких температурах. Також як і мідь вони зберігають пластичність і не стають крихкими при охолодженні до гелієвих температур.
За рахунок вищих температур рекристалізації (300-370°С) повзучість латунів при високих температурах менше, ніж у міді. У зоні середніх температур (200-600 ° С) у латунях спостерігається явище крихкості. Воно пов'язане з утворенням крихких міжкристалічних прошарків із нерозчинних при низьких температурах домішок (свинець, вісмут). З підвищенням температури ударна в'язкість латунів зменшується. Електро- та теплопровідність латунів помітно нижче, ніж у міді.
Свинцеві латуні гірші, ніж прості латуні, з'єднуються припоями, зварюються та поліруються. Для з'єднання свинцевих латунів не рекомендується застосовуватикиснево-ацетиленове зварювання, дугове в середовищі захисного газу і дугове з витрачається електродом [7].
Корозійна стійкість свинцевих латунів. Свинцеві латуні мають: відмінну стійкість проти впливу чистих гідрокарбонатів, фреону, фторованих гідрокарбонатових охолоджувачів і лаків; гарною стійкістю проти впливу промислової, морської, сільської атмосфер, спиртів, дизельного палива та сухого діоксиду вуглецю; середньою стійкістю проти впливу сирої нафти та водяного діоксиду вуглецю; поганою стійкістю проти впливу гідроксиду амонію, хлористоводневої та сірчаної кислот [7].
Основними легуючими елементами багатокомпонентних латунях є алюміній, залізо, марганець, свинець, кремній, нікель. Вони по-різному впливають властивості латунів.
Марганець підвищує міцність та корозійну стійкість, особливо у поєднанні з алюмінієм, оловом та залізом.
Олово підвищує міцність та сильно підвищує опір корозії у морській воді. Латуні, що містять олово, часто називають морськими латунями.
Нікель підвищує міцність та корозійну стійкість у різних середовищах.
Свинець погіршує механічні властивості, але покращує оброблюваність різанням. Ним легують (1-2%) латуні, які піддаються механічній обробці на верстатах-автоматах. Тому ці латуні називають автоматними.
Кремній погіршує твердість, міцність. При спільному легуванні кремнієм і свинцем підвищуються антифрикційні властивості латуні і вона може бути замінником більш дорогих, наприклад, олов'яних бронз, що застосовуються в підшипниках ковзання. У таблиці 2.1 представлені фізичні та технологічні властивості деяких марок спеціальних латунів.
Таблиця 2.1 - Фізичні та технологічні властивості спеціальних латунів [7]
| Властивість | Марка | ||
| ЛАЖ 60-1-1 | ЛВ 70-1 | ЛК 80-3 | |
| Температура плавлення, ° С | 904 | 935 | 900 |
| Щільність, г/см 3 | 8,2 | 8,5 | 8,6 |
| Модуль пружності, кг/мм 2 | 10500 | 10600 | 9800 |
| Температура гарячої обробки, ° С | 700-800 | 650-750 | 750-850 |
| Температура відпалу,°C | 600-700 | 550-650 | 500-600 |
3. Режими термічної обробки латунів
При розробці технології термічної обробки міді та її сплавів доводиться враховувати дві особливості: високу теплопровідність та активну взаємодію міді з газами під час нагрівання. При нагріванні тонких виробів та напівфабрикатів теплопровідність має другорядне значення. При нагріванні масивних виробів висока теплопровідність міді є причиною швидше і рівномірного їх прогріву по всьому перерізу, порівняно, наприклад, з титановими сплавами. У зв'язку з високою теплопровідністю при зміцнюючій термічній обробці мідних сплавів не виникає проблеми прожарювання. При використовуваних практично габаритах напівфабрикатів і виробів вони прожарюються наскрізь.
Мідь та сплави на її основі активно взаємодіють з киснем та парами води при підвищених температурах, принаймні більш інтенсивно, ніж алюміній та його сплави. У зв'язку з цим, при термічній обробці напівфабрикатів та виробів із міді та її сплавів часто застосовують захисні атмосфери [8].
Термічна обробка латуні полягає у рекристалізаційному відпалі. Температуру початку рекристалізації міді інтенсивно підвищують такі елементи, як Zr,Cd, Sn, Sb, Сr, тоді як Ni, Zn, Fe, Co мають слабкий вплив. На температуру рекристалізації латунів також впливає попередня обробка, насамперед ступінь холодної деформації та величина зерна, що сформувалося при цій обробці. Так, наприклад, час до початку рекристалізації латуні Л95 при температурі 440 ° С становить 30 хв за ступеня холодної деформації 30 % і 1 хв за ступеня деформації 80 % [8].
Величина вихідного зерна діє процес рекристалізації протилежно підвищенню ступеня деформації. Наприклад, у сплаві Л95 з вихідним зерном 30 та 15 мкм відпал після 50 % деформації при температурі 440 °С призводить до рекристалізації через 5 та 1 хв відповідно. У той самий час величина вихідного зерна впливає швидкість рекристалізації, якщо температура відпалу перевищує 440 °З .
При виборі режимів рекристалізаційного відпалу латунів слід враховувати, що сплави, що лежать поблизу фазової межі α/ (α + β), через змінну розчинність цинку в міді можуть термічно зміцнюватися. Загартування латунів, що містять більше 34% Zn, робить їх схильними до старіння, причому здатність до зміцнення при старінні зростає зі збільшенням вмісту цинку до 42%. Практичного застосування цей вид термічного зміцнення латунів не виявив. Проте швидкість охолодження латунів типу Л63 після рекристалізаційного відпалу впливає їх механічні властивості. Можливість розпаду пересичених розчинів в латунях, що містять більше 34 % Zn, і в латунях слід також враховувати при виборі режимів відпалу для зменшення напруг. Сильна холодна деформація може прискорювати розпад пересичених 945- і 946-розчинів при відпалі [11].
Якість відпаленого матеріалу визначаєтьсяяк його механічними властивостями, а й величиною рекристаллизованного зерна. Величина зерна у повністю рекристалізованій структурі досить однорідна. При неправильно встановлених режимах рекристалізаційного відпалу структурі чітко виявляються дві групи зерен різної величини. Ця так звана подвійна структура особливо небажана при операціях глибокої витяжки, згинання або полірування та травлення виробів. Зі збільшенням розмірів зерна до певної межі штампування латунів покращується, але якість поверхні погіршується. На поверхні виробу при величині зерна понад 40 мкм спостерігається характерна шорсткість - "апельсинова кірка" [12].
4.Матеріал та методика досліджень
Для експериментальних досліджень було відібрано зразки зі спеціальної латуні марки ЛС59-1, надані ТМ «Термолайф», хімічний склад якої наведено у таблиці 4.1 [13].
Таблиця 4.1 – Хімічний склад латуні ЛС59-1 [13]