Реализация структурной сверхпластичности латуни

в промышленном производстве: изготовление сверхпластичного латунного листа, сверхпластическая формовка в производстве изделий из латуни

Ряд исследований, направленных на реализацию структурной сверхпластичности в латуни Л63 и разработку промышленной технологии производства сверхпластичного латунного листа, включал:

  • — определение наиболее эффективного пути формирования в латуни Л63 двухфазной структуры с равным объемным содержанием фаз при температурах проявления структурной сверхпластичности (550-650 °С);
  • — разработку технологической схемы получения сверхпластичного листа, приемлемую для освоения в промышленном производстве;
  • — исследование характеристики сверхпластичности сплава при разных температурно-скоростных условиях деформации.

Если получение требуемой мелкозернистой структуры в латунях может быть достигнуто обработкой их по разным технологиям, то объемное соотношение фаз в определенном интервале температур определяется, прежде всего, химическим составом сплава. Латунь Л63, содержащая, согласно ГОСТ 15527-2004,62,0-65,0 % меди, является двухфазной в широком интервале температур и концентраций, что определяется диаграммой состояния системы Си—Zn. Однако в области температур 550—650 °С наиболее предпочтительное для развития сверхпластической деформации объемное содержание (3-фазы составляет <30 % даже при минимально допустимой концентрации меди (62,0 %). Согласно диаграмме состояния и экспериментальным результатам температура равенства объемов а- и (3-фаз в латуни Л63 изменяется от 750 до 850 °С с увеличением концентрации меди в интервале 62-63 % (табл. 8.9).

Таким образом, латунь Л63 по фазовому составу не удовлетворяет одному из основных требований, предъявляемых к сверхпластичному медно-цинковому сплаву — равному объемному содержанию фаз при повышенных температурах.

Таблица 8.9. Зависимость объемного содержания (3-фазы (%) в латуни Л63 от температуры и концентрации меди

Содержание меди, %

t, °с

62,0

63,1

64,7

450

3

-

-

550

5

0

0

650

30

2

0

750

50

20

1

850

100

60

20

Увеличение объемного содержания p-фазы в латуни может быть достигнуто либо снижением концентрации меди, либо легированием сплава (3-стабилизирующими элементами. Второй путь подробно исследован в настоящей работе, т.к. только он может позволить существенно изменить фазовое равновесие в латуни и при этом не выводить сплав по химическому составу за рамки, регла-

Влияние содержания меди на температуру равного объемного содержания фаз в латуни, легированной кремнием (% мае.)

Рис. 8.33. Влияние содержания меди на температуру равного объемного содержания фаз в латуни, легированной кремнием (% мае.):

1 - 0; 2-0,1; 3 - 0,2; 4- 0,3; 5- 0,4

ментированные существующим стандартом.

Аналитическое определение степени влияния наиболее эффективного (3-стабили- зирующего элемента, кремния, на фазовое равновесие в системе медь—цинк позволило построить зависимость температуры равенства объемов а- и (3-фаз в двухфазной латуни от концентрации кремния (рис. 8.33). Полученные зависимости были подтверждены выборочной экспериментальной проверкой. Анализ фазового соотношения показывает, что при снижении температуры до 650 °С равное объемное содержание фаз в латуни Л63, содержащей, например, 62,0—63,0 % меди, может быть достигнуто при легировании сплава кремнием в количестве 0,3—0,4 %.

Расширение допустимого интервала концентрации меди в условиях промышленного производства требует отклонения состава сплава от существующего стандарта либо по концентрации меди (61,0—63,0 %), либо по содержанию примесей с учетом кремния (>0,5 %).

В основу технологической схемы получения сверхпластичного листа была положена предложенная ранее технология обработки модельного сплава - двухфазной латуни ЛЖМц59-1-1, исключающая, в отличие от известной схемы ТМО (см. главу 7), такие операции, как закалка и теплая прокатка [222]. Основное преимущество данной технологии перед известными схемами состоит в том, что она может быть легко осуществлена в условиях прокатного производства заводов ОЦМ, так как включает традиционное для производства латуного проката сочетание горячей деформации слитков с последующей холодной прокаткой.

Необходимость получения в листовой заготовке мелкозернистой структуры (1—10 мкм) требует проведения строго регламентированных по температуре и времени промежуточного и заключительного отжигов. Использование такой технологии позволило получить листовую заготовку из легированной кремнием латуни со средним размером зерен 4 мкм.

Последующий нагрев заготовки до температуры проявления сверхпластичности (600 °С), имитирующий нагрев образцов перед сверхпластической деформацией, приводит к укрупнению частиц фаз, но структура сплава остается достаточно дисперсной (средний размер зерен 7-8 мкм) для проявления эффекта структурной сверхпластичности.

Высокотемпературные механические испытания показали, что латунь, легированная кремнием, после проведения указанной обработки проявляет характерные признаки сверхпластического течения: высокое равномерное удлинение, низкое сопротивление деформации, повышенную скоростную чувствительность напряжения течения.

Эффективная роль кремния в формировании необходимого фазового строения и, следовательно, в проявлении эффекта сверхпластичности в латуни иллюстрируется на рисунке 3.5. Для примера на рисунке представлены свойства сверхпластичной латуни, содержащей 61,6 % Си и 0,13 % Si, после обработки по предложенной технологии с промежуточным и заключительным отжигами при температуре 400 °С. Температурная зависимость относительного удлинения представляет собой кривую с максимумом при 650 °С. При этой температуре и скорости растяжения 6 мм/мин (?о=7,2 10_3 с-1) относительное удлинение сплава составляет 400 %, а напряжение течения — 6 МПа.

Влияние температуры на свойства и фазовый состав латуни Л63 (62,2 % Си) при скорости растяжения 6 мм/мин (ео = 7,2 10 с)

Рис. 8.34. Влияние температуры на свойства и фазовый состав латуни Л63 (62,2 % Си) при скорости растяжения 6 мм/мин (ео = 7,2 10_3 с-1):

1 — относительное удлинение; 2 — напряжение течения

Отмеченная закономерность изменения показателей сверхпластичности во многом обусловлена фазовым строением сплава. Именно при температуре 650 °С в данном сплаве наблюдается равенство объемов а- и [3-фаз и, следовательно, максимальная площадь межфазной поверхности (рис. 3.5).

Важная роль объемного соотношения фаз особенно наглядно подчеркивается при сопоставлении отмеченных результатов со свойствами стандартной латуни Л63 (62,2 % Си), прошедшей аналогичную обработку (рис. 8.34). Во всем исследованном интервале температур относительное удлинение стандартного материала значительно ниже (50—180 %), а сопротивление деформации в 1,5—2,5 раза выше, чем у латуни, легированной кремнием. Если учесть, что средний исходный размер зерен в сравниваемых материалах перед высокотемпературным растяжением находился примерно на одном уровне (7—9 мкм), то значительную разницу в свойствах можно объяснить только разным фазовым строением. В латуни Л63 даже при минимальном содержании меди во всем исследованном интервале температур (550—

Влияние скорости деформации на относительное удлинение (/, 2), напряжение течения (3, 4) сверхпластичной латуни, содержащей 61,6 % Си и 0,13 % Si, при 650 °С

Рис. 8.35. Влияние скорости деформации на относительное удлинение (/, 2), напряжение течения (3, 4) сверхпластичной латуни, содержащей 61,6 % Си и 0,13 % Si, при 650 °С:

  • 1,4 промежуточный отжиг при 500 °С, 1ч;2,3 - 600 °С, 1 ч
  • 700 °С) не достигается равное объемное содержание фаз (рис.
  • 8.34).

Мелкозернистая структура и оптимальный фазовый состав латуни, легированной кремнием, обусловливают высокие показатели сверхпластичности сплава при 650 °С в широком интервале скоростей деформации 7,2 • 10-3

— 3,5 -10-2 с-1 (рис. 8.35). Так, относительное удлинение в этом диапазоне начальных скоростей

деформации составляет 410—430 %, а сопротивление сплава деформации в оптимальных температурно-скоростных условиях равно 4—8 МПа. Эти свойства присущи листовой латунной заготовке, прошедшей предварительную обработку по принятой технологической схеме с промежуточным отжигом при 500 °С.

Повышение температуры промежуточного отжига до 600 °С вызывает значительное ухудшение свойств сверхпластичного сплава (рис. 8.35). Это вызвано тем, что сравнительно более крупнозернистая структура латуни после промежуточного отжига при 600 °С не устраняется последующими технологическими операциями. Средний размер зерен в латунном листе после такой обработки и нагрева до 650 °С в течение 15 мин составил 12—14 мкм.

В дополнение представим экспериментальные данные о свойствах латуни, легированной алюминием (61,0 % Си—0,7 % А1—0,1 % Fe—Zn ост.) (рис. 8.36) и сплава с добавкой кремния и алюминия (61,4% Cu-0,5 % А1—0,25 % Si-Zn ост.) (рис. 8.37).

Зависимость относительного удлинения (а) и напряжения течения (б) латуни, содержащей 61,0% Си—0,7 % А1—0,1 % Fe, от скорости деформации при разных температурах (°С)

Рис. 8.36. Зависимость относительного удлинения (а) и напряжения течения (б) латуни, содержащей 61,0% Си—0,7 % А1—0,1 % Fe, от скорости деформации при разных температурах (°С):

1 - 550; 2 - 600; 3 - 650; 4 - 500

На рисунке 8.38 представлены составы перспективных сплавов системы Си—Zn—Al—Si, рассчитанные из условия постоянства электронных концентраций (e/w) двойных и легированных латуней с одинаковым фазовым строением (глава 2), в виде семейства плос-

Зависимость относительного удлинения (а) и напряжения течения (б) латуни, содержащей 61,0 % Си—0,5 % А1—0,25 % Si, от скорости деформации при разных температурах (°С)

Рис. 8.37. Зависимость относительного удлинения (а) и напряжения течения (б) латуни, содержащей 61,0 % Си—0,5 % А1—0,25 % Si, от скорости деформации при разных температурах (°С);

/- 600; 2 -550

Геометрическая интерпретация химических составов латуней системы Си—Zn—Al—Si для четырех уровней электронных концентраций

Рис. 8.38. Геометрическая интерпретация химических составов латуней системы Си—Zn—Al—Si для четырех уровней электронных концентраций

костей для уровней (е/л): 1,42; 1,41; 1,40; 1,39, соответствующих бинарным латуням с содержанием меди от 57,0 до 60,0 % и, соответственно, температурам равенства объемов фаз от 500 до 650 °С.

Для сплава, легированного 0,7 % А1, оптимальная температура проявления сверхпластичности 500—600 °С. При этом относительное удлинение достигает 500—600 %, показатель скоростной чувствительности напряжения течения (т) составляет 0,5—0,6, а напряжение течения колеблется в пределах от 1 до 7 МПа при довольно низких начальных скоростях деформации 2,4-10-4—1,210—3 с-1.

Таким образом, сопоставляя показатели сверхпластичности двух сплавов Си—Zn—Si и Си—Zn—Al—Fe, можно сделать вывод, что легирование латуни кремнием приводит к проявлению эффекта сверхпластичности с наилучшими показателями в области больших скоростей деформации (е0 — свыше 10-2 с-1), а в случае легирования алюминием наилучшие показатели сверхпластичности получены в области малых скоростей деформации (е0 = 2,410~4— 1,2* 10—3 с-1).

Анализ свойств сплава, легированного комплексной добавкой 0,25 % Si и 0,5 % А1, показал, что высокие показатели сверхпластичности достигаются в широком интервале скоростей деформации от 2,4-10-4 до 7,2-10—3 с-1. Относительное удлинение (8) составило 450—600 %, показатель скоростной чувствительности достигает 0,5, сопротивление деформации находится в пределах от 1 до 10 МПа (рис. 8.37).

Таким образом, легирование латуней одновременно алюминием и кремнием позволило значительно расширить скоростной интервал сверхпластичности, что весьма важно для практической реализации этого явления.

Анализ структурообразования и технологичности латуни в процессе обработки, изучение влияния состава сплава и технологических параметров на показатели сверхпластичности позволили разработать промышленную технологию изготовления сверхпластичного латунного листа из модифицированной латуни Л63 применительно к оборудованию Кировского завода ОЦМ.

Следует отметить удовлетворительную технологичность сплавов в процессе обработки, несмотря на повышенное в сравнении со стандартной латунью Л63 содержание (3-фазы. Механические свойства модифицированной латуни по длине рулонов массой 1—2 т после промежуточного отжига составляли: ов = 410—460 МПа, 8 = = 35-45 %.

Выпуск опытно-промышленных партий сверхпластичной модифицированной латуни Л63 показал, что оптимальный состав сплава и принятая технология обработки обеспечивают получение латунного листа со средним размером зерен 2—4 мкм и высоким уровнем показателей сверхпластичности (рис. 8.39). В оптимальных температурно-скоростных условиях деформации достигаются следующие результаты: 8>400 %, ов<10 МПа, показатель скоростной чувствительности напряжения течения т=0,4—0,5.

Выпуск опытно-промышленных партий сверхпластичного листа из латуней ЛЖМц59-1 -1 и Л63 (модифицированный вариант) на Кировском заводе ОЦМ позволил впервые в промышленном производстве начать освоение серийной технологии изготовления изделий утилитарно-художественного назначения из латуни методом сверхпластичной формовки (СПФ)

Микроструктура, увел. 500 (а) и свойства сверхпластичной модифицированной латуни Л63 (б) производства Кировского завода ОЦМ

Рис. 8.39. Микроструктура, увел. 500 (а) и свойства сверхпластичной модифицированной латуни Л63 (б) производства Кировского завода ОЦМ: / — относительное удлинение (6); 2— напряжение течения (<зц); 3 — показатель т

(рис. 8.40).

Такие элементы формовки изделий, как выдавливание художественного рельефа фланца, макроформовка наружного контура изделия и проработка сложного художественного рельефа центральной части, производятся в одну операцию на гидравлическом прессе усилием всего 250 кН при 600—650 °С и давлении газа (компрессированного азота) 1,0—1,3 МПа в течение 3—5 минут.

При традиционной технологии изготовления аналогичных изделий методами холодной листовой штамповки, как правило, каждый элемент штампуется отдельно на дорогостоящем мощном прессовом оборудовании.

Для указанных изделий при холодной вытяжке необходим пресс двойного действия усилием 1000/630 кН и при выдавливании рельефа фланца и формовке центральной части — чеканочный пресс

Декоративные тарелки, изготовленные методом СПФ за одну операцию из листа

Рис. 8.40. Декоративные тарелки, изготовленные методом СПФ за одну операцию из листа:

а — латуни ЛЖМц59-1 -1; б — модифицированной латуни Л63

усилием 25 000 кН. В результате при традиционной технологии при серии до 10-20 тысяч штук одного изделия в год требуются в 20 раз большие капитальные затраты, а себестоимость получается в 3 раза большей, чем при использовании сверхпластичной формовки.

После сверхпластической деформации (8 = 300 %) эксплуатационные свойства латуней при комнатной температуре соответствуют отожженному состоянию (8 = 30—40 %, ав = 400 МПа).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >