Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Метали знаходять широке застосування в сучасній техніці завдяки як хімічним, так, особливо, і фізичним їх властивостями.   Спільність фізичних властивостей металів (висока електрична провідність, теплопровідність, ковкість, пластичність) пояснюється спільністю будови їх кристалічних решіток.

Зараз роль сплавів на основі кольорових металів зростає з кожним роком. Крім металургії, машинобудування, суднобудування та інших давно сформованих областей техніки металеві матеріали цієї групи застосовують у приладобудуванні, електронній, ядерній, криогенній техніці, радіотехніці, авіації, космонавтиці, медицині.

Латуні завдяки своїм якостям знайшли широке застосування в 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 дверних ручок і часових 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 н. е., причому до кінця 18 ст. її отримували плавкою міді з цинковою рудою, змішаною з деревним вугіллям. Лише в 19 в. цей спосіб був повсюдно витиснений прямим сплавом міді з цинком. Завдяки хорошій оброблюваності тиском в гарячому і холодному станах, високим механічним властивостям, красивому кольору і порівняльній дешевизні латуні - найпоширеніші з мідних сплавів. З них отримують листи, стрічки, прутки, труби, дріт (деформуються латуні), а також виливки (ливарні латуні). При збільшенні вмісту цинку колір латуні змінюється від червонуватого до світло-жовтого. На рисунку 1.1 представлена діаграма стану сплаву Cu - Zn [3].

Рисунок 1.1 – Діаграма стану системи Cu – Zn

Гранична розчинність цинку в міді становить 39%. Зі зниженням температури від 902 до 454 °С гранична розчинність цинку в міді підвищується, а при подальшому її зниженні, за даними ряду авторів, може знижуватися приблизно до 30-32%. Тому латуні, що містять до 39% цинку, теоретично мають структуру, що складається тільки з кристалів твердого розчину α. Такі латуні називають однофазними, або α -латунями. Однак, в реальних умовах вже при вмісті цинку близько 30% в структурі латуні з'являються кристали другої фази (β'-фази). При перевищенні граничної розчинності цинку в міді латуні стають двофазними, або ( β + β‘ ) -латунями. β'-фаза є досить міцною, але тендітної [4].

2. агальні властивості латуні


2.1 Прості латуні



Твердість, межа плинності, межа міцності і пластичність простих латуней вище, ніж у міді. У цілому ці показники зростають зі збільшенням вмісту цинку. Найкращою пластичністю володіє Л68 (найбільша глибина витяжки для листів, найбільше число перегинів для дроту). В Л63 кількість β-фази незначно і воно мало відбивається на пластичності Л63 і її здатності до обробки тиском при низьких температурах, але вимагає суворого дотримання режиму охолодження [5].

З простих латуней виробляється прокат усіх видів. Всі прості латуні мають хороші ливарні властивості та можуть використовуватися для виробництва виливків. Антифрикційними властивостями прості латуні, також як і мідь, не володіють.


2.2 Спеціальні латуні



Спеціальні латуні мають більшу міцність, кращою корозійну стійкість до більшого числа середовищ в порівнянні з простими латунями.Більшість спеціальних латуней мають хороші антифрикційні властивості. Деякі з них стійкі до морської води (олов'яні, алюмінієві, крем'янисті, марганцеві), перегрітому пару (марганцеві латуні) і т.д.Деякі з них поєднують відмінні корозійні властивості з хорошими антифрикційними властивостями (ЛК65-1.5-3, ЛО90-1, ЛЖМц59-1-1). Особлива стійкість окремих латуней до конкретних середовищ в специфічних умовах експлуатації визначає сферу їх переважного застосування.

Найпоширенішими є свинцеві латуні. Їх головна властивість - відмінна оброблюваність різанням. Це проявляється в можливості швидкісної обробки заготовок з малим зносом інструменту. При цьому утворюється дрібна сипка стружка, що визначає чистоту оброблюваної поверхні і мінімальний наклеп при різанні. Це визначає застосування свинцевих латуней для виготовлення малорозмірних деталей для точної механіки. Їх негативною стороною є низька ударна в'язкість, низька міцність на вигин при наявності надрізу. Найпоширенішою з свинцевих латуней є ЛС59-1 [6].

Найкращу оброблюваність має латунь ЛС63-3. По відношенню до неї оцінюють оброблюваність кольорових металів і вуглецевих сталей (у відсотках).

Практично всі латуні є гарним конструкційним матеріалом при низьких температурах. Також як і мідь вони зберігають пластичність і не стають крихкими при охолодженні аж до гелієвих температур.

За рахунок більш високих температур рекристалізації (300-370 °С) повзучість латуней при високих температурах менше, ніж у міді. У зоні середніх температур (200-600 °С) у латунях спостерігається явище крихкості. Це пов'язано з утворенням крихких межкристаллических прошарків з нерозчинних при низьких температурах домішок (свинець, вісмут). З підвищенням температури ударна в'язкість латуней зменшується . Електро- і теплопровідність латуні помітно нижче, ніж у міді.

Свинцеві латуні гірше, ніж прості латуні, з'єднуються припоями, зварюються і поліруються. Для з'єднання свинцевих латуней не рекомендується застосовувати киснево-ацетиленового зварювання, дугове у середовищі захисного газу і дугову з витрачаються електродом [7].

Корозійна стійкість свинцевих латуней.Свинцеві латуні володіють: відмінною стійкістю проти впливу чистих гідрокарбонатів, фреону, фторованих гідрокарбонатових охолоджувачів і лаків;хорошою стійкістю проти впливу промислової, морської, сільській атмосфер, спиртів, дизельного палива і сухого діоксиду вуглецю;середньою стійкістю проти впливу сирої нафти і водяного діоксиду вуглецю;поганою стійкістю проти впливу гідроксиду амонію, хлористоводородной та сірчаної кислот [7].

Основними легуючими елементами у багатокомпонентних латунях є алюміній, залізо, марганець, свинець, кремній, нікель. Вони по-різному впливають на властивості латуней.

Марганець підвищує міцність і корозійну стійкість, особливо в поєднанні з алюмінієм, оловом і залізом.

Олово підвищує міцність і сильно підвищує опір корозії у морській воді. Латуні, що містять олово, часто називають морськими латунями.

Нікель підвищує міцність і корозійну стійкість у різних середовищах.

Свинець погіршує механічні властивості, але поліпшує оброблюваність різанням. Їм легують (1-2%) латуні, що 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 служити замінником більш дорогих, наприклад олов'яних бронз, що застосовуються в підшипниках ковзання. У таблиці 2.1 представлені фізичні та технологічні властивості деяких марок спеціальних латуней.

Таблиця 2.1 - Фізичні та технологічні властивості спеціальних латуней [7]


Властивість Марка
ЛАЖ 60-1-1 ЛО 70-1 ЛК 80-3
Температура плавлення,°С 904 935 900
Щільність,г/см3 8,2 8,5 8,6
Модуль пружності,кг/мм2 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 латуней

При розробці технології термічної обробки міді і її сплавів доводиться враховувати дві особливості: високу теплопровідність і активну взаємодію міді з газами при нагріванні. При нагріванні тонких виробів і напівфабрикатів теплопровідність має другорядне значення. При нагріванні масивних виробів висока теплопровідність міді є причиною більш швидкого і рівномірного їх прогрівання по всьому перетину, у порівнянні, наприклад, з титановими сплавами. У зв'язку з високою теплопровідністю при термічній обробці мідних сплавів не виникає проблеми прокаливаемости. При використовуваних на практиці габаритах напівфабрикатів і виробів вони прогартовуються наскрізь.

Мідь і сплави на її основі активно взаємодіють з киснем і парами води при підвищених температурах, принаймні, більш інтенсивно, ніж алюміній і його сплави. У зв'язку з цим, при термічній обробці напівфабрикатів і виробів з міді і її сплавів часто застосовують захисні атмосфери [8].

Термічна обробка латуні полягає в рекрісталлізаціонном відпалі. Температуру початку рекристалізації міді інтенсивно підвищують такі елементи, як Zr, Cd, Sn, Sb, Сr, в той час як Ni, Zn, Fe, Co чинять слабкий вплив. На температуру рекристалізації латуней також впливає попередня обробка, в першу чергу ступінь холодної деформації і величина зерна, сформованого при цій обробці. Так, наприклад, час до початку рекристалізації латуні Л95 при температурі 440 °С становить 30 хв при ступеня холодної деформації 30% і 1 хв при ступені деформації 80% [8].

Величина вихідного зерна діє на процес рекристалізації протилежно підвищенню ступеня деформації. Наприклад, в сплаві Л95 з вихідним зерном 30 і 15 мкм отжиг після 50% деформації при температурі 440° С призводить до рекристалізації через 5 і 1 хв відповідно. У той же час величина вихідного зерна не впливає на швидкість рекристалізації, якщо температура відпалу перевищує 440 °С.

При однакових умовах деформації і відпалу зі збільшенням вмісту цинку величина зерна зменшується, досягає мінімуму, а потім зростає. Так, наприклад, після відпалу при 500 °С протягом 30 хв величина зерна становить: у міді 0,025 мм; в латуні з вмістом 15% Zn - 0,015 мм, а в латуні з 35% Zn - 0,035 мм. В α-латунях зерно починає рости при відносно низьких температурах і росте аж до температур солідусу. У двофазних (α + β) - і спеціальних латунях зростання зерна, як правило, відбувається лише при температурах, при яких залишається одна β-фаза. Наприклад, для латуні Л59 значне збільшення зерна починається при відпалі вище температури 750 °С [9].

При відпалі сплавів міді з вмістом 32-39% Zn при температурах вище α - (α + β) -переходу виділяється β-фаза, що викликає нерівномірне зростання зерна. Відпал таких сплавів бажано проводити при температурах, що не перевищують лінію α - (α + β) -равновесія системи Cu-Zn. У зв'язку з цим латуні, що лежать за складом поблизу точки максимальної розчинності цинку в міді, слід отжигать в печах з високою точністю регулювання температури і великою однорідністю розподілу її за обсягом печі [10].

При виборі режимів рекристаллизационного відпалу латуней слід враховувати, що сплави, що лежать поблизу фазової кордону α / (α + β), через змінної розчинності цинку в міді можуть термічно упрочняться. Загартування латуней, 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 латуней не знайшов. Проте швидкість охолодження латуней типу Л63 після рекристаллизационного відпалу впливає на їх механічні властивості. Можливість розпаду пересичених розчинів в α-латунях, що містять більше 34% Zn, і в (α + β) -латунь слід також враховувати при виборі режимів відпалу для зменшення напружень. Сильна холодна деформація може прискорювати розпад пересичених α- і β-розчинів при відпалі [11].

Якість відпаленого матеріалу визначається не тільки його механічними властивостями, але і величиною рекрісталлізованного зерна. Величина зерна в повністю рекрісталлізованной структурі досить однорідна. При неправильно встановлених режимах рекристаллизационного відпалу в структурі чітко виявляються дві групи зерен різної величини. Ця так звана подвійна структура особливо небажана при операціях глибокої витяжки, згину або полірування та травлення виробів. Зі збільшенням розмірів зерна до певної межі штампуемость латуней поліпшується, але якість поверхні погіршується. На поверхні виробу при величині зерна більше 40 мкм спостерігається характерна шорсткість - «апельсинова кірка» [12].

4.Матеріал і методика досліджень

Для експериментальних досліджень були відібрані зразки зі спеціальною латуні марки ЛС59-1, надані ТМ «Термолайф», хімічний склад якої наведено в таблиці 4.1 [13].


Таблиця 4.1 - Хімічний склад латуні ЛС59-1 [13]


Вміст елемента, %
Fe P Cu Pb Zn Sb Bi Sn Домішок -
до 0,5 до 0,02 57-60 0,8-1,9 37,05-42,2 до 0,01 до 0,003 до 0,3 всего 0,75 Si+Sn<0,5
Примітка: Zn - основа; процентний вміст Zn дано приблизно.

Зразки були відібрані від шестикутника шириною 24 мм. Товщина зразків 10 - 11 мм.

Для дослідження мікроструктури поверхню зразків піддавалася шліфовці на абразивної папері і подальшої поліруванню. Для виявлення структури відшліфовані і відполіровані зразки піддавалися травленню розчином азотної кислоти HNO3 у воді в співвідношенні компонентів 1: 1.

При проведенні досліджень застосовувалося наступне обладнання: світловий горизонтальний металографічний мікроскоп «Neophot - 21», твердомір ТК-2М, Мікротвердоміри ПМТ-3, камерна піч СНОЛ 1,6.2,5.1 / 11, термопара ХА, цифровий комбінований прилад Щ - 4300 .

Зразки піддавали рекрісталлізаціонний відпалу при температурах нагріву:

  1. 500 – 520 °С – нагрів в двофазну (α + β) - область;
  2. 800 – 820 °С – нагрів в однофазну β-область.

Охолодження проводили з піччю, на повітрі, а також у воді з метою прискорення охолодження і кращого відділення окаліни.На відібраних зразках проводили мікроструктурний аналіз, вимірювали твердість і мікротвердість.

5.Отримані результати

На рисунку 5.1 представлені мікроструктура вихідного зразка і нагрітих до 500 і 800 °С з подальшим охолоджуванням на повітрі, збільшення х1000.

Рисунок 5.1 – Мікроструктура латуні марки ЛС59-1

На рисунку (а) представлена структура латуні у вихідному необробленому стані, що представляє собою темну матрицю бета-фази (інтерметаліди ~ CuZn) і утворилися з неї світлі виділення альфа-твердого розчину на основі міді. Всередині деяких з них виявляються частки не розчинної в міді свинцю, який затвердів в останню чергу. Ці частки служать зародками, на яких починають утворюватися кристали альфа-фази.

На рисунку (б) представлена структура латуні після нагрівання до 500 °С. Нагрівання до температур (500-520 °С) дозволяє отримати в нагрітому стані двухфазную структуру (α + β) з досить високою кількістю β-фази. Також присутні частки не розчинної в міді свинцю.

Після нагрівання до 800 °С ми потрапляємо в однофазну β-область. Структура більш дисперсна (рисунок в).

Була виміряна твердість зразків за методом Роквелла до і після термічної обробки. Значення представлені в таблиці 5.2.

Таблиця 5.2 - Твердість зразків (HRB) залежно від середовища охолодження

Температура нагріву, °С Середа охолодження
вода повітря піч
500-520 61 55 58
650-670 59 54 -
800-820 50 43 33
Примітка: твердість вихідного зразка 62 HRB

З таблиці видно, що чим більше охолоджуюча здатність середовища, тим більшою твердістю мають зразки. Це пов'язано з тим, що при швидкому охолодженні зростає кількість β'-фази, що підвищує твердість латуні і в деяких випадках покращує обробку різанням. При повільному ж охолодженні в структурі проявляється більше пластичної α-фази. З підвищенням температури обробки твердість латуні знижується.

Висновки

У даній роботі було розглянуто вплив режимів термічної обробки на структуру і властивості латуні ЛС59-1.

Структура спеціальної двофазної латуні ЛС59-1 являє собою темну матрицю бета-фази (інтерметаліди ~ CuZn) і утворилися з неї світлі виділення альфа-твердого розчину на основі міді. Всередині деяких з них виявляються частки не розчинної в міді свинцю, який затвердів в останню чергу. Ці частки служать зародками, на яких починають утворюватися кристали альфа-фази.

Експериментальним шляхом встановлено, що з пониженням охолоджуючої здатності середовища структура латуні стає більш грубозернистою.

Також було розглянуто вплив середовища охолодження на твердість латуні. Чим більше охолоджуюча здатність середовища, тим більшою твердістю мають зразки. Це пов'язано з тим, що при швидкому охолодженні зростає кількість β'-фази, що підвищує твердість латуні і в деяких випадках покращує обробку різанням. При повільному ж охолодженні в структурі проявляється більше пластичної α-фази. З підвищенням температури обробки твердість латуні сніжается.То є шляхом зміни температурних режимів термічної обробки можна впливати не тільки на структурні характеристики, а й на характеристики твердості.

Практичне використання латунних виробів рідко здійснюється в режимі високих температур, так як цей сплав при тривалому термічному впливі, особливо за наявності гарячої пари, втрачає свою міцність і в'язкість, починаючи деформуватися, що ускладнює подальшу експлуатацію.

Перелік посилань

  1. Латунь. Легированные стали [Электронный ресурс] : технический справочник //, 2005 г. – режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-31682.html
  2. Латуни. Общие характеристики. [Электронный ресурс] : технический справочник //, 2004 г. – режим доступа: http://melita.com.ua/latun.html
  3. Варлимонт Х. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота/ Х.Варлимонт, Л.Дилей . - М.: Наука, 1980. - 208 с.
  4. Структурные и фазовые превращения в (α+β)-латунях / [Пугачева Н.Б., Панкратов А.А., Фролова Н.Ю., Котляров И.В.]//Металлы.- 2006.- №3.- с. 65-75
  5. Свойства латуней. [Электронный ресурс] : технический справочник //, 2013г.–режим доступа: http://normis.com.ua/index.php?option=com_c ontent&view=article&id=15&Itemid=21
  6. Пресняков А.А. Латуни. Превращения в твердом состоянии, технологические свойства / Пресняков А.А., Червякова В.В., Дуйсемалиев У.К.- М.: Металлургия, 1969.- 120 с.
  7. Латунь: классификация, свойства, химсостав. [Электронный ресурс] : технический справочник //, 2013г.–режим доступа: http://www.dpva.info/Guide/GuideMatherials/Metalls/CooperBronsesAndBrasses/Brass/BrassToGostOverview/
  8. Колачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.И. – М.: МИСИС, 2005 . -432 с.
  9. Меркулова Г. А.Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособие / – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008. – 312 с.
  10. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов/ Ю.М.Лахтин. – М.: Металлургия, 1983. – 320 с.
  11. Гуляев А.П. Металловедение / А.П.Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
  12. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / Новиков И.И. – М.: Металургія, 1986. – 480с.
  13. Марочник сталей и сплавов [Электронный ресурс] : технический справочник //, 2005 г. – режим доступа: http://www.splav.kharkov.com/choose_type.php