Кольорових металів і сплавів

9.1. Загальні положення

При реалізації термічної обробки металів та сплавів важливе значення мають не тільки обгрунтування її температурно-часових параметрів, але й вибір способу нагрівання, робочого середовища печі, охолоджуючого середовища, типу устаткування, яке використовується. Для нагрівання кольорових металів та сплавів при термічній обробці використовують, як і в разі сталей, електричні і паливні печі, у тому числі і печі-ванни, печі з киплячим шаром, установки електроконтактного і індукційного нагріву. Безумовно, при виборі способу нагрівання і устаткування для його реалізації слід враховувати вид виробу, його форму, розміри і техніко-економічні показники процесу.

Вибір робочого середовища печі визначається насамперед інтенсивністю взаємодії металів і сплавів з газами. Якщо алюміній, мідь та їх сплави, як правило, можна нагрівати при термічній обробці у середовищі повітря, то термічну обробку титанових сплавів, які мають схильність до водневої крихкісті, часто необхідно виконувати у вакуумі. Термічну обробку тугоплавких металів і їх сплавів виконують завжди у атмосфері захисних газів або у вакуумі внаслідок їх інтенсивної взаємодії з киснем і парами води. Іншим методом захисту активних металів від взаємодії з газами є використання різноманітних обмазок і покриттів - склообразних і склокристалічних матеріалів, керамічних і металічних матеріалів, інтерметалідів.

Кольорові метали та сплави піддають різним видам відпалу, гартуванню з відпуском або старінням (штучним чи природним).

9.2. Відпал кольорових металів і їх сплавів

Метою відпалу є наближення системи до стану рівноваги за рахунок усунення в тій чи іншій мірі фізичної і хімичної її неоднорідністі, виникнення яких є наслідком технологічних операцій виробництва сплаву і виробів з нього. В залежністі від виду відпалу, його наслідками можуть бути зниження ступеню хімічної неоднорідністі (ліквації), усунення неравноважної структури, зниження рівня внутрішніх напружень, зниження міцності і твердісті, підвищення пластичністі і оброблюваністі різанням, тиском та інше.

Найбільш розповсюдженими стосовно кольорових металів та їх сплавів є наступні види відпалу:

- гомогенізаційний відпал, метою якого є усунення хімічної неоднорідністі сплавів; його виконують переважно для напівфабрикатів, насамперед, зливків та відливків;

- рекристалізаційний відпал деформівних напівфабрикатів - заготовок, поковок, штаб, сортових профілів з метою усунення наслідків наклепу (нагартовки) і підвищення технологічних властивостей металу в результаті розвитку процесів рекристалізації;

- відпал для зняття залишкових напружень, переважно у зливках, відливках і напівфабрикатах, які деформували, з метою поліпшення їх технологічних властивостей;

- повний відпал, в результаті реалізації якого можуть проходити не тільки процеси знеміцнення в результаті развитку рекристалізації, але й фазові перетворення, які забезпечують повний розпад твердих розчинів і виділення надлишкових фаз;

- стабілізаційний відпал, який забезпечує більш повне виділення надлишкових фаз (старіння) у напівфабрикатах і у готових виробах.

Відпал алюмінію і його сплавів. Зливки зі сплавів алюмінію піддають гомогенізаційному відпалу, режим якого визначається їх складом (табл. 9.1).

Таблиця 9.1 - Рекомендовані режими гомогенізаційного відпалу

Сплави	Температура відпалу,°С	Тривалість витримки, год.
1.Сплави алюмінію
1.1. Д1, Д16, Д19, Д17, АК6, АК8, AК4, АК4-1, А Mr6, А Mr5	480-500	6-36
1.2. АД33, А Mr3	510-530	6-24
1.3. АВ, АД31	540-550	8-12
1.4. А Мц	610-630	6-10
2. Сплави магнію
2.1. МА-1, МА-8, МА-11, (МА12)	490-530	12-24
2.2. МА-2, МА-2-1	390-400	10-18
2.3. МА-3	1 ступ.-340 2 ступ.-400

При такому відпалі усувається переважно дендритна ліквація, зональна ж ліквація, внаслідок великої довжини шляхів дифузії може бути усунена лише частково, оскільки для досягнення повного ефекту гомогенізації потрібні сотні годин витримки. Температуру гомогенізації обирають в залежності від складу сплава, але близькою до температури рівноважного або нерівноважного солідусу. Гомогенізацію нижче температур нерівноважного солідусу називають звичайною гомогенізацією, а гомогенізацію при температурі, вищій за нерівноважний, але нижчій за рівноважний солідус - високотемпературною гомогенізацією. В останньому випадку при нагріванні розплавлюються нерівноважні фази, але при подальшій витримці вони “розсмоктуються” і сплав знову повністю твердіє. Витримка при температурі гомогенізації приводить до розчинення надлишкових фаз і вирівнювання хімічного складу у обсязі дендритних комірок, коагуляції інтерметалідних і інших фаз. Оскільки цей процес контролюється дифузією компонентів, тривалість витримки звичайно не менша за 6-8 год. і може для ряду сплавів досягати навіть 36 год. В результаті гомогенізації суттєво змінюються властивості зливків і заготовок: підвищуються їх пластичні характеристики при кімнатній температурі і показники технологічної пластичності при деформації, знижується анізотропія властивостей проката і виробів, підвищується комплекс механічних властивостей готових виробів.

Рекристалізаційний відпал виконують при температурах, які перевищують температурний поріг рекристалізації, для холоднодеформованих, а іноді і для гарячедеформованих металів та сплавів. Для сплавів алюмінію, які не зміцнюються термічною обробкою, рекристалізаційний відпал (т.н. високий відпал), а також низький відпал (Т < Тр) є основними видами термічної обробки. Високий відпал проводять при підвищених температурах, достатніх для повного знеміцнення при розвиненнні рекристалізації. Однак, витримка при цьому повинна бути мінімальною для запобігання зростання зерна в результаті збиральної рекристалізації (див. табл. 9.2).

Відпал для зниження залишкових напружень (низький відпал) деформівних алюмінієвих сплавів проводять при порівняно низьких температурах (див. табл. 9.2), при яких може проходити полігонізація, а рекристалізація якщо і проходить, то лише частково. В результаті цього відбувається часткове знеміцнення і деяке підвищення пластичності сплавів.

Повний відпал для деформівних алюмінієвих сплавів, які зміцнюються термічною обробкою, проводять при температурах 350...430°С, коли при достатній витримці здійснюється повне знеміцнення матеріалу як в результаті процесів рекристалізації, так і за рахунок повного виділення надлишкової фази з пересиченого твердого розчину.

В результаті стабілізаційного відпалу відливків з ливарних алюмінієвих сплавів (температура коло 300°С, тривалість витримки 2...4 год.) може відбуватися як деяке їх зміцнення, так і в разі коагуляції продуктів розпаду - і підвищення пластичності при зниженні міцністі. При цьому знижується рівень залишкових напружень і стабілізуються геометрічні розміри фасонних відливків. Такий відпал ще називають пом’ягчуючим відпалом, або стабілізацієй.

Відпал сплавів магнію. Термічна обробка сплавів алюмінію і магнію має багато спільного, що пояснюється відсутністю поліморфних перетворень у цих металах і близькістю їх температур плавлення. Однак низькі швидкості дифузії легуючих елементів у твердому магнії приводять до отримання помітно вираженої хімічної неоднорідністі при кристалізації і обрібці у твердому стані.

Таблиця 9.2 - Режими відпалу деформованих напівфабрикатів

з різних сплавів

Марка сплаву	Темпера­тура початку рекрис-талізації, °С	Рекристалізацій­ний відпал	Відпал для зняття залишкових напружень
Темпе-ратура нагріву, °С	Час витрим­­ки, год.	Темпе-ратура нагріву, °С	Час витри­м­ки, год.
1.Алюміній і його сплави
1.1. АД 00, АД 0, АД 1	150-200	300-500	0.1-0.5	150-300	1-3
1.2. AMr1,AMr2,АМц		350-420	0.1-0.5	150-180	1-3
1.3. АMr4,AMr5,AMr6	250-300	300-350	0.5-3	-	-
1.4. Д1,Д16,Д19,АК 4-7				250-280	1-4
2. Магній і його сплави
2.1. МА1, МА8	200-300	320-350	0.5
2.2. МА 2-1, МА15	200-300	250-280	0.5
2.3. МА20				255-265
2.4 МЛ4, МЛ5					2-3
3. Мідь і її сплави
3.1. Мідь М1, М2, М3	180-230	500-700	0.5	180-230	1-2
3.2. Подвійні латуні	335-370	500-600	0.5	250-300	1-2
3.3. Леговані латуні	350-400	600-650	0.5	250-400	1-2
3.4. Олов’яні бронзи	350-400	600-650	0.5	250-260	1-2
3.5. Алюмінієві бронзи					1-2
4. Титан і його сплави
4.1. (a)	-ВТ1-00,ВТ1-0 -ВТ5	580-600	670-690 800-850		520-540
4.2. (псевдо-a)	-ОТ4-1, ОТ4 -ВТ18	680-760	690-760 900-980		590-680
4.3. (a+b)	-ВТ6 -ВТ16		750-800 770-790	простий відпал	730-770
5. Тугоплавкі метали
5.1. Nb і його сплави
-чистий Nb	1000-1100	1200-1300
-малолеговані сплави	1100-1200	1200-1300		1000-1100
-середньолеговані сплави		1300-1400		1100-1200
5.2. Mo і його сплави
-чистый Мо	950-1000
-малолеговані сплав	1000-1400	1300-1600
-середньолеговані сплави	1400-1600	1600-2000

При термічній обробці сплавів магнію з нагріванням до 450...475°С, а для ряду сплавів (МА11, МА12, МА14 и др.) - до 500...535°С захисні атмосфери можуть не використовуватися.

Гомогенізаційний відпал магнієвих сплавів в залежністі від їх складу та структури виконують за двома схемами (див. табл. 9.1):

а) в одну ступінь при температурах, наприклад, 490...530°С (МА1, МА8, МА11) з тривалістю витримки 12...24 год., або при більш низькій температурі – 300...400 °С (МА2, МА2-1) при тривалісті витримки 10...18 год.;

б) в дві ступені: спочатку - при більш низькій температурі (наприклад, при 340°С, 4 год. для сплава МА3), потім - при більш високій (400 °С, 12 год.).

Деформівні сплави магнию піддають рекристалізаційному відпалу (високотемпературному), а також низькотемпературному відпалу для зняття внутрішніх напружень; режими для деяких сплавів наведені у таблиці 9.2. Знеміцнюючою термічною обробкою ливарних сплавів магнію є відпал для зняття залишкових напружень.

Відпал міді і її сплавів. При розробці технології термічної обробки міді та її сплавів необхідно враховувати дві особливості: їх високу теплопровідність і активну взаємодію з газами при нагріванні. В зв’язку з їх активною взаємодією з киснем і парами води при підвищених температурах при термічній обробці напівфабрикатів і готових виробів часто необхідно застосовувати захисні атмосфери.

Гомогенизаційний відпал зливків міді і її сплавів виконують при температурі, яка є максимально можливою, але такою, яка не викликає оплавлення структурних складових. Основними сплавами міді, які потребують гомогенизації, є насамперед олов’яні бронзи, відпал яких виконують при 625...750°С з витримкою 1...6 год., а також мельхіори (750...800°С, 0,5...1 год.) та берилієві бронзи (720...800°С, 1...3 год.).

Рекристалізаційний відпал - одна з розповсюджених технологічних операцій виробництва напівфабрикатів з міді та її сплавів. Режими такого відпалу наведені у табл. 9.2. При обранні режимів рекристалізаційного відпалу мідних сплавів, наприклад, латуней, слід враховувати їх схильність до старіння і можливий розпад пересичених твердих розчинів при термічній обробці. Температуру початку рекристалізації міді інтенсивно підвищують Zr, Cd, Sn, Sb, Cr, в той час, як Ni, Zn, Fe, Co здійснюють слабкий вплив. Домішки підвищуюють і критичну ступінь деформації, яка для латуней складає 5...12%. Згідно з літературними даними, температура початку рекристалізації латуні Л63 змінюється від 250 до 400°С. Найбільш дрібнозернистая структура у ній формується після відпалу при 300...400°С. Чим вищою є ступінь попередньої холодної деформації, тим меншою буде величина рекристалізованого зерна латуні і вищою її твердість при однакових умовах відпалу. При неправильних режимах відпалу у відпалених сплавах внаслідок високої ступені передуючої холодної пластичної деформації виявляються дві групи зерен різної величини (т.н. подвійна структура), що є небажаним, особливо при операціях глибокого витягування, згинання або шліфування і травлення виробів. У двохфазних (a+b)- і спеціальних латунях зростання зерна відбувається звичайно при температурах, при яких в структурі залишається одна b-фаза. Тому температуру відпалу таких латуней обирають приблизно на 250...350°С вищою за температуру рекристалізації (див. табл. 9.2).

Зі збільшенням розміру зерна до певної межі штампуємість латуней поліпшується, але якість поверхні погіршується, а при розмірі зерна більшим за 40 мкм спостерігається характерна шорсткість поверхні - дефект “апельсинова корка”. Напівфабрикати ж з неповністю рекристалізованою структурою з дуже дрібним зерном штампуються без утворення дефекту “апельсинової корки”. Тому сплави часто піддають неповному відпалу при 250...400°С, який є в дійсністі відпалом для зняття залишкових напружень.

Відпал титану і його сплавів. При розробці режимів термічної обробки титану та його сплавів слід враховувати наступні особливості: а) поліморфізм титану, б) низьку теплопровідність, в) схильність до насичення воднем. Приклади режимів відпалу сплавів титану наведені у таблиці 9.2. Слід зазначити, що гомогенизаційний відпал сплавів титану не виконують внаслідок його ниьзкої ефективністі.

Слід враховувати, що класичні схеми рекристалізаційного відпалу, дорекристалізаційного відпалу і відпалу для зменшення залишкових напружень застосовують у “чистому” виді тільки для однофазних a - та b - сплавів. У псевдо- a, типових (a+b)- і псевдо- b- сплавах з термодинамічно нестійкою b-фазою на процеси рекристалізації можуть накластися фазові перетворення. Внесок фазових перетворень у формування структури і властивостей сплавів є найбільшим при реалізації дорекристалізаційного та особливо - рекристалізаційного відпалів і найменшим - у разі відпалу для зниження рівню залишкових напружень, коли при низьких температурах відпалу їх вплив може і не проявитися.

При дорекристалізаційнному відпалі відбуваються процеси повернення і полігонізації, які забеспечують часткове усунення нагартовки і знеміцнення сплаву. Температура такого відпалу повинна бути нижчою за температуру початку рекристалізації, яка навіть у чистого іодидного сильнодеформованого титану є близько 400°С, а при зменшенні ступеню деформації підвищується до 500 (ступінь деформації 50%) і навіть 550°С (ступінь деформації 30%). У сплавів титану температура початку рекристалізації є вельми високою і змінюється у широких межах в залежністі від їх складу (див. табл. 9.2). Температури ж кінця рекристалізації стають ще більш високими. Тому й температури дорекристалізаційного відпалу, які реалізуються у практиці термічної обробки, теж є вельми високими – 500...780°С в злежністі від складу.

Рекристалізаційний відпал виконують при температурі, вищій за температури початку рекристалізації (табл. 9.2) в інтервалі температур 600...980°С в залежністи від складу сплава. Слід враховувати, що легуючі елементи і домішки, як правило, підвищують температуру рекристалізації, причому, найбільш значне її підвищення спостерігається при легуванні титану такими елементами, як Al, Be, а при вмісті більше 2...3% - і Cr, V, Fe, Mn, Sn. Тому всі промислові сплави мають більш високий температурний поріг рекристалізації, ніж чистий титан. Найбільш високу температуру рекристалізації мають псевдо-a - та (a + b)- сплави з високим вмістом алюмінію.

Критична ступінь деформації для сплавів титану складає 2...10%. Якщо рекристалізаційний відпал виконують при температурах (a + b) - області, то при критичних ступенях деформації рекристалізоване зерно не зростає до надмірно великих розмірів. Для усіх сплавів титану найменша швидкість зростання зерна наблюдається при структурі, яка характеризується примірно рівним співвідношенням фаз. Зниження температури відпалу, яке приводить до збільшення долі a-фазы, підвищує швидкість зростання зерна і може сприяти отриманню крупнозернистої структури рекристалізації. Підвищення температури відпалу, яке приводить до збільшення долі b-фази, також сприяє зростанню зерна. Особливо інтенсивне зростання зерна (на 3-4 порядка) має місце при перегріванні выще критичної точки Ас₃.

Температура рекристалізаційного відпалу не повинна бути занадто високою, щоб не викликати укрупнення зерна і не викликати отримання на поверхні значного шару, який збагачений киснем (т.н. альфований шар). Рекристалізація холоднодеформованих сплавів проходить достатньо рівномірно в усьому об’ємі. В гарячедеформованих же сплавах рекристалізація в об’ємі напівфабрикату часто розвивається нерівномірно, що приводить до появи таких дефектів, як різнозернистість, смугастість структури, аномальна структурна неоднорідність, і як наслідок - до отримання знижених механічних і службових властивостей. Для усунення цих дефектів рекристалізаційний відпал проводять при підвищених температурах.

Властивості a-сплавів після дорекристалізаційного і рекристалізаційного відпалів не залежать від швидкості охолодження. Відпал (a + b)-сплавів поєднує елементи відпалу I роду, який базується на процесах рекристалізації, і відпалу II роду, який базується на фазовій перекристалізації.

Тому відпал (a+b)-сплавів частіше класифікують не за процесами, які відбуваються в металі при нагріванні (рекристалізаційний, дорекристалізаційний відпали, відпал для усунення залишкових напружень, відпал, який базується на фазовій перекристалізації), а за технологією, яка реалізується. Виходячи з цього, розрізнюють такі види відпалу цих сплавів титану:

а) простий відпал, який виконують з нагріванням до найбільш низьких температур, які є достатніми для достатньо повного знеміцнення, з подальшим охолодженням звичайно на повітрі, або з піччю до визначеної температури; температура такого відпалу частише за все усього 750...800°С;

б) ізотермічний відпал, при якому сплав на першій стадії нагрівають до порівняно високих температур, достатніх для розвинення полігонізації або рекристалізації (800...950°С в залежністі від складу сплаву), потім на другій стадії охолоджують до температур, які забезпечують високу стабільність b-фази (ці температури звичайно нижчі за температури рекристалізації і складають 530...650°С) і ввитримують при цій температурі 1...2 год., а іноді і більше з подальшим охолодженням на повітрі; ізотермічний відпал забезпечує більш високі пластичність, термічну стабільність і тривалу міцність сплавів у порівнянні з простим відпалом, тому широко використовується для термічної обробки жароміцних сплавів;

в) подвійний (ступінчастий) відпал, який відрізняється від ізотермічного тим, що після відпалу на першій стадії сплав охолоджують на повітрі до кімнатної температури, а потім знову нагрівають до температури другої стадії – 550...650°С і витримують 2...5 год.; у цьому випадку при температурі першої стадії (як і у випадку ізотермічного відпалу) відбуваються процеси полігонізації і рекристалізації, при подальшому охолодженні частково розвивається поліморфне перетворення, але b-фаза стає нерівноважною і при подальшому нагріванні до температури другої стадії відбувається її розпад, наслідком якого є підвищення характеристик міцності сплаву при деякому зниженні його пластичності.

Виходячи з суті процесів структурних змінень подвійний відпал іноді називають “зміцнюючий подвійний відпал” або “м’яка зміцнююча обробка”. Для зменшення рівня залишкових напружень, які обумовлені механічною обробкою деталей, у ряді випадків застосовують неповний відпал при температурах, нижчих за температури початку рекристалізації (450...650°С в залежності від складу) тривалістю 0,5...2 год.

Відпал тугоплавких металів і їх сплавів. За винятком хрому, всі тугоплавкі метали інтенсивно окислюються при температурах, вищіх за 300...500°С. При їх взаємодії з газами, крім окисного, а часто і нитридного шарів, на поверхні виробів утворюється газонасичений поверхневий шар, в якому вміст домішок плавно зменшується від поверхні у глиб металу. Цей шар представляє собою твердий розчин проникнення атомів домішок (кисню, азоту) у металі. Глибина газонасиченого шару збільшується зі зростанням тривалісті і температури нагрівання. Його наявність суттєво погіршує службові властивості металів.

В зв’язку з високою хімічною активністю тугоплавких металів та їх сплавів по відношенню до газів при термічній обробці реалізують наступні методи захисту виробів від насичення домішками з середовища, яке оточує:

- нагрів у нейтральних газах (гелій, аргон, а для вольфраму, молибдену та їх сплавів - також і водень та суміш водню з азотом);

- термічна обробка у вакуумі, яка забезпечує більш високу ступінь захисту металів, ніж використання нейтральних газів, але потребує застосування більш складного та дорогого обладнаня;

- застосування захисних обмазок різного складу.

Гомогенизаційний відпал зливків тугоплавких металів та їх сплавів виконують, як правило, у глибокому вакуумі з нагріванням до високих температур: ніобію і його сплавів - при 1400...1800°С, сплавів молібдену - при 1600...2200°С в залежністі від складу.

Деформовані напівфабрикати тугоплавких металів та їх сплавів піддають дорекристалізаційному, або рекристалізаційному відпалу. Слід враховувати, що ці матеріали мають високу температуру початку рекристалізації, яка залежить не тільки від режимів попередньої деформації, але й від вмісту домішок і легуючих елементів. Метали високої ступені чистоти рекристалізуються при значно більш низьких температурах в порівнянні з металами промислової чистоти та їх сплавами (див. табл. 9.2).

Температуру рекристалізаційного відпалу призначають звичайно на 100...200°С вищою за температуру початку рекристалізації, але, як правило, не вищою за температуру початку інтенсивного зростання зерна, яке обумовлюється розвитком збиральної рекристалізації, яка складає, наприклад, для ванадія - приблизно 1200°С, для ніобія - 1300°С, для тантала - 1600°С. Дорекристалізаційний відпал тугоплавких металів та їх сплавів здійснюють при більш низьких температурах – 1000...1200°С.

9.3. Загальні положення зміцнюючої термічної обробки сплавів

кольорових металів

В залежності від природи металу, який є основою сплаву, можна виділити 2 загальних різновида зміцнюючої термічної обробки:

- для сплавів на основі металів, які не володіють поліморфізмом – гартування на пересичений твердий розчин з подальшим природним чи штучним старінням; такими сплавами є сплави на основі алюмінію, міді, магнію та ряду інших елементів;

- для сплавів на основі металів, які володіють поліморфізмом, насамперед, сплавів титану – як правило, гартування з реалізацією поліморфного мартенситного перетворення (гартування на мартенсит) з подальшим відпуском.

Слід зазначити, що як при старінні, так і при відпусканні відбувається розпад пересиченого твердого розчину, який в цілому відповідає одним й тим самим закономірностям. Тому, наприклад, відпуск загартованих титанових сплавів часто також називають старінням.

В залежності від температури нагрівання і часу витримки при старінні реалізуються різні стадії розпаду пересиченого твердого розчину, що забезпечує отримання різних структури і властивостей сплаву. В зв’язку з цим старіння підрозділяють на наступні основні види:

1. Зонне старіння, коли при невисоких температурах або коротких витримках зміцнення обумовлюється утворенням зон Гіньє-Престона (ГП). Зонне старіння є основним для таких сплавів, як, наприклад, дуралюміни, і може забезпечити отримання підвищеної міцністі сплаву;

2. Фазове старіння, коли зміцнення досягають внаслідок утворення з зон Гіньє-Престона (ГП) метастабільних фаз, які мають з матрицею когерентні або напівкогерентні границі. Таке старіння відбувається при більш високих температурах, або при більш тривалих витримках в порівнянні з фазовим старінням;

3. Коагуляційне старіння, яке пов’язане з виділенням часток стабільних фаз, які мають з матрицею некогерентні границі, а також з коагуляцією часток таких фаз, яка приводить до знеміцнення сплаву. Такий процес проходить при збільшенні тривалості витримки при підвищених температурах старіння.

При зонному старінні забезпечується максимальна пластичність при достатній міцності і середніх значеннях межі текучості, але висока чутливість до структурних змін при можливих подальших нагрівах. Фазове старіння може забезпечити максимальні рівні тимчасового опору при розриванні (межі міцності) та межі текучості, але знижені значення відносного подовження; при цьому виникає небезпека корозійного розтріскування і посилюється чутливість до концентраторів напружень. Коагуляційне старіння забезпечує отримання високої корозійної стійкості, високої межі текучості, слабкої чутливості до зміни властивостей при додаткових нагрівах, підвищеної технологічної пластичністі. Однак, відносне подовження залишається низьким, а чутливість до концентраторів напружень - високою.

9.4. Гартування зі старінням сплавів алюмінію, міді, магнію

Сплави алюмінію. Зміцнюючій термічній обробці – гартуванню зі старінням (часто – природним) піддають усі групи деформівних алюмінієвих сплавів, які зміцнюються термічною обробкою, деякі марки ливарних сплавів – силумінів (наприклад, АЛ9), сплавів системи Al - Cu (АЛ 7, АЛ 19). Деякі сплави, наприклад, ливарні сплави системи Al - Mg, піддають гартуванню без старіння, а ряд сплавів - старінню без попереднього гартування. Охолоджуючим середовищем при гартуванні більшості сплавів є вода. Сплави магнію. Ці сплави піддають гартуванню зі штучним старінням. Критична швидкість охолодження при гартуванні сплавів магнію невисока і для більшості з них охолоджуючим середовищем є повітря. Тривалість штучного старіння магнієвих сплавів значно більша за таку у алюмінієвих сплавів. Ефект же термічної обробки у них нижчий в порівнянні зі сплавами алюмінію.

Сплави міді. Температура їх нагрівання під гартування повинна забезпечити можливість найбільш повного розчинення надлишкових фаз, але не викликати надмірного зростання зерна та пережогу. Час витримки при їх нагріванні під гартування невеликий і не перевищує декількох хвилин. Сплави міді відрізняються високою прогартівністю.

Конкретні режими термічної обробки визначаються експериментальним шляхом для кожного сплаву. Режими старіння обираються в залежністі від потрібних фізико-механічних властивостей. При цьому можуть бути реалізованими режими як повного, так і неповного штучного старіння, а також перестарювання. Приклади режимів гартування і старіння ряду сплавів наведені у таблиці 9.3.

Таблиця 9.3 - Режими гартування і старіння ряду сплавів

Основа сплаву	Вид і марка сплаву	Температу- ра нагріву під гартування, °С	Режим старіння
Темпера-тура, °С	Час витримки, год.
Алюміній	Деформівні:
Дуралюміни Д1, Д16	490-510		более 96
Ковочні сплави АК6, АК8	500-520	150-165	6-12
Високоміцні В95, В96	465-475	135-145	15-17
Магній	Деформівні: МА5	410-425	175-200	8-16
МА11	480-500	170-180
Ливарні МЛ6			4-8
Мідь	ЛАНКМц 75-2-2.5-0.5-0.5
БрАЖН 10-4-4
БрБ2, БрБНТ 1.9	760-780

9.5. Особливості зміцнюючої термічної обробки сплавів титану

Такі особливості обумовлені поліморфізмом титану. Внаслідок поліморфних перетворень в промислових сплавах при прискореному охолодженні утворюються метастабільні фази. Так, при швидкому охолодженні (гартуванні) з b-області сплавів, які у стані рівноваги можуть бути однофазними (a), або двохфазними (a +b), утворюється метастабільна a’-фаза. Вона представляє собою пересичений твердий розчин легуючих компонентів у a -Ti і має гексагональну кристалічну гратку. При утворенні такого мартенситу в титанових сплавах, на відміну від сталей, зміцнення не відбувається. Це обумовлено тим, що об’ємний ефект перетворення b ®a’ і, відповідно, фазовий наклеп є невеликими: об’ємний ефект мартенситного перетворення в титанових сплавах складає лише 0,1%, а в сталі - біля 1%. При гартуванні може утворитися також і фаза a’’, яка має ромбічну кристалічну гратку, утворення якої також не приводить до зміцнення сплаву. Фаза a’’ утворюється при підвищеному вмісті легуючих елементів. Припускають, що фаза a’ безперервно переходить у фазу a’’. Сумісної присутністі цих двох фаз при гартуванні з b-стану не було зафіксовано.

При великому вмісті легуючих элементів при гартуванні відбувається перетворення b®w. Фаза w є мартенситом особливого типу і утворюється при нульовому об’ємному ефекті. Ця фаза є твердою і крихкою, тому її появи при термічній обробці намагаються запобігти. Вважають, що, что w-фаза утворюється з b-фази в результаті незначних зміщень окремих атомів.

При відпусканні загартованих титанових сплавів відбувається розпад метастабільних фаз a’, a’’ и w, а також нестабільної (переохолодженої) b-фази (b’-фази). Мартенситна a’-фаза в залежності від складу розпадається при нагріванні на фази a і b, або a і TiMe_х, где TiMe_х - проміжна фаза в системі Ti - Me, якщо в цій системі є можливим евтектоїдне перетворення. b-фаза в ізотермічних умовах розпадається або на фази a і b з подальшим утворенням a і TiMe_х, або на фази b і w, а далі - на b і a, а при більш тривалій витримці - на фази a і TiMe_х.

У таблиці 9.4 наведені приклади режимів зміцнюючої термічної обробки сплавів титану.

Таблиця 9.4 - Режими зміцнюючої термічної обробки сплавів Ti

Марка сплаву	Ткр, °С	% b-фази	Температура нагріву під гартування, °С	Режим відпуску
Температура, °С	Витримка, год
ВТ 6		20-30	900-950	450-500	2-4
ВТ 14		35-40	870-910	480-560	8-16
ВТ 16		55-70	810-830	560-580	8-10
ВТ 22	840-880	90-100	690-750	480-540	8-16

Тимчасовий опор руйнуванню загартованих титанових (a + b)-сплавів з невеликим вмістом b-стабілізаторів (ВТ 6, ВТ 3-1, ВТ 8, ВТ 9) порівняно мало залежить від температури нагрівання під гартування в інтервалі 850...900°С, але суттєво зростає при подальшому її підвищенні. У випадку ж загартованих (a+b)-сплавів з достатньо великим вмістом b-стабілізаторів (ВТ16, ВТ22) підвищення температури нагрівання під гартування приводить до безперервного зменшення границі текучості у зв’язку з утворенням м’якого мартенситу.

Зміцнення при старінні загартованих сплавів обумовлене процесами розпаду b- і a’’ - фаз, підвищення міцністі внаслідок розпаду a’-фази є невеликим. Старіння у (a+b)-сплавах розвивається в залежності від часу витримки тим інтенсивніше, чим менше у них вміст b-стабілізаторів. Тривалість старіння звичайно обирають більшою, ніж час, необхідний для досягнення максимальної міцності з метою підвищення їх пластичності. Сплави титану частіше піддають старінню за одноступінчастим, рідше - за двохступінчастим режимом.

ЛІТЕРАТУРА

1. Лившиц Б.Г. Металлография.-М.: Металлургия.-1990.-336 с.

2. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.- М.: Машиностроение.-1986.- 384 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение.- М.:Металлургия.-1977.-647 с.

4. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.-М.:Металлургия.-1981.- 414 с.

5. Колачев Б.А., Габибулин Р.М., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов.-М.: Металлургия.-1980.- 279 с.

6. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов.-М.: Металлургия.-1980.- 316 с.

7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.- М.: Машиностроение.-1980.- 493 с.

Дата добавления: 2014-01-07