главная страница    словари    ГОСТЫ И ТУ    свойства металлов    производители металлов    о проекте

медь  бронза  латунь  алюминий  титан  никель  кобальт  цинк  магний  олово  свинец  медно-никелевые сплавы  вольфрам   молибден   ниобий   тантал

Механические свойства меди

Механические свойства различных марок меди при стандартных статических испытаниях на растяжение при температуре 20°С незначительно отличаются друг от друга.

Механические свойства бескислородной меди М16 при стандартных статических испытаниях на растяжение приведены в табл. 1.

Табл. 1. Механические свойства бескислородной меди марки М1б

 

Свойства

 

Состояние

деформированное

отожженое

Временное сопротивление σb , МПа

340...450

220...250

Предел текучести σ0,2 , Мпа

280-420

60-75

Относительное удлинение δ , %

4...6

40...50

Относительное сужение ψ, %

35...45

70...80

Твердость по Бринеллю, HB 

90...110

45

Предел выносливости σ-1, Мпа, (Т=108 циклов; kσ*=1)

100...120

70...80

Ударная вязкость KCU, МДж/м2

1,0

1,70

*kσ - коэффициент концентрации напряжений

Содержание кислорода в меди влияет на ударную вязкость и технологическую пластичность.

Например, ударная вязкость горячекатаных медных полос (99.9% Cu) с различным содержанием кислорода составляет:

                           О2, %                0,026           0,030        0,034         0,042

                           KCU,кДж/м2         860             560           510            270

Влияние кислорода на технологическую пластичность на при­мере медной проволоки диаметром 2,6 мм в твердом состоянии и с содержанием меди 99,90% следующее:

Способ получения

Число гибов при радиусе равном 5 мм

Число скручиваний загиба, на длине 152 мм

Бескислородная

12

92

Бескислородная

7

45

 

Медь и многие ее сплавы имеют зоны пониженной пластичности («провала» пластичности). При этом у кислородсодержащей меди наблюдается явно выраженная зона пониженной пластичности при температурах 300…500°С; у меди, раскисленной фосфором и с большим его остаточным содержанием (0,04%), также наблюдается пониженная пластичность в этом интервале температур. С повышением чистоты меди зона пони­женной пластичности уменьшается, а у бескислородной меди высокой чистоты (99,99%) эта зона практически отсутст­вует. Зона пониженной пластичности отсутствует и у меди, раскисленной бором (0,01% В).

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочность и пластичность, чем при температуре 20°С.

Механические свойства меди, на примере применяемой для электродов контактной сварки, при высоких температурах приведены в табл. 2. 

Табл. 2. Механические свойства меди при высоких температурах
Свойства Температура, °С
20 200 300 400 500 600 700
Временное сопротивление σb , МПа 220 200 150 110 70 50 30
Предел текучести σ0,2 , Мпа 60 50 50 40 30 20 10
Относительное удлинение δ , % 45 45 40 38 47 57 71
Относительное сужение ψ, % 90 88 77 73 86 100 100
Твердость по Виккерсу, HV  50 40 38 35 19 1 9
Ударная вязкость KCU, МДж/м2 1,7 1,5 1,4 1,4 1,2 0,9 0,8

Длительная твердость HV (в течение 1 часа)

- - - 25 10 6 5

 Характеристики упругости. Упругие свойства изотропного материала характеризуются модулями нормальной упругости Е (модуль Юнга), сдвига G и объемного сжатия Есж, а также коэффициентом Пуассона (µ). Значения модулей Е и G в интервале температур 300... 1300К уменьшаются по линейному закону. Лишь в области низких темпе­ратур наблюдается отклонение от равномерного изменения модулей (табл. 3).

Табл. 3. Модули упругости и сдвига меди при различных температурах
Модули, ГПа Температура, К
4,2 100 200 300 500 700 900 1100 1300
Е 141 139 134 128 115 103 89,7 76,8 63,7
G 50 49,5 47,3 44,7 37,8 31 24,1 18,5 11,5

Регламентированные механические свойства продукции из меди при различных способах изготовления, состояниях поставки и размерах приведены в табл. 4 - 7.

Как правило, на лентах толщиной менее 0,5 мм, а также на лентах толщиной 0,5... 1,5 мм в мягком состоянии, используемых для штамповки, временное сопротивление и относительное удлинение не определяют, а проводят испытания на выдавливание лунки по Эриксену (см. табл. 5).

Табл. 4. Плоский прокат из меди. Размеры и механические свойства
Продукция, стандарт или технические условия Марка Изгот. Сост. пост. Толщина, мм Временное сопротивление σb , МПа Относительное удлинение δ10, %
не менее
Плиты из раскисленной меди, ТУ 48-21-517-85 M1p ГК 75…11О 180 20
Листы общего назначения, ГОСТ 1173-2006 M1, M1p, М1ф, М2, М2р, М3, МЗр ГК 3...25 200 30
ХК М 0,05... 12 200…260 36
ПТ 240…310 12
Тв 290 3
Листы и полосы повышенного качества ТУ 48-21-664-79 M1 ЛХК М 3...8 200 36
ЛГК 8...10 200 30
ПХК М 3...6 200 36
Шины для электротехнических целей, ГОСТ 434-78 M1 ХК М св. 7 35
Ленты общего назначения, ГОСТ 1173-2006 M1, M1p, М1ф, М2, M2p, М3, МЗр ХК М 0,1...6 200…260 36
ПТ 240…310 12
Тв 290 3
Ленты для коаксиальных магистральных кабелей, ГОСТ 16358-79 M1 хк М 0,16...0,3 210 δ5≥25
Ленты для капсюлей, ГОСТ 1018-77 M1, M1p, М2, M2p ХК М 0,35...1,86 200 36
Ленты для электротехн ических целей, ТУ 48-21-854-88 M1, М2 ХК М до 0,2
0,2...2,5 36
2,5—3,53 36
3,55...5,5 36
Тв до 0,2 310
0,2...2.5 310
2,5...3,53 284  
3,55...5,5 284
Фольга рулонная для технических целей, ГОСТ 5638-75 M1, М2 ХК Тв 0,015...0,05 290
Условные обозначения:
ГК - горячекатаные; ХК — холоднокатаные; ЛХК листы холоднокатаные; Л ГК - листы горячекатаные; ПХК - полосы холоднокатаные; М - мягкое; ПТ — полутвердое; Тв — твердое.

 

Табл. 5. Характеристики холоднокатаных лент при испытании по Эриксену (радиус пуансона 10 мм)
Ленты Марка Состояние Толщина, мм Глубина лунки, мм, не менее
Общего назначения, ГОСТ 1173-2006 M1, M1p, М1p, М2, М2р, М3, МЗр мягкое 0,1...0,14 7
0,14...0,16 7
0,16...0,28 8
0,28...0,55 8,5
0,55...0,6 9
0,6...1,1 9,5
1,1...1,5 10
Радиаторные, ГОСТ 20707-80 M1, М2, М3 мягкое 0,06...0,07 4,5...9.0
0,08...0,09 6,0...9,0
0,1 7,5
0,12...0,15 7,5
0,17...0,25 8
твердое 0,1 1,5...3,5
0,12...0,15 1,5...3,5
Для электротехнических целей, ТУ 48-21-854-88 M1 мягкое 0,1...0,15 7,5
0,2...0,25 8
0,3...0,5 8,2
0,6...1 9,5
Таблица 6. Трубы и трубки из меди. Размеры и механические свойства
Продукция, стандарт или технические условия Марка Изгот. Сост. пост. Диаметр, мм / Толщина стенки, мм Временное сопротивление σb , МПа Относительное удлинение δ10, %
не менее
Трубы общего назначения, ГОСТ 617-2006 M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3 ХД М 3...360 / 0,8...10 200 35
ПТ 240 8
Тв 280  
Пр до 200 / 5...30 190 30
>200 / 5...30 180 30
Трубы квадратные и прямоугольные е круглым отверстием, ТУ48-21-497-81 M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3 Т, П М b; h; d 200 35
15...20,5;
13.5...14;
6...12,5
Пр   b; h; d 190 30
36…120;
16…36;
11…28
Трубы медные, ТУ 48-21-482-85 M1, M1p, М1ф, М2р, МЗр, М2, М3 Пр 30 / 9 190 30
Трубки медные тонкостенные, ТУ 48-21-161-85 M1, М2 Т М 0,8...2 / 0,15...0,5 210 35
Тв 4
Трубки медные тонкостенные. ГОСТ 11383-75 M1, М2, М3 Т М 1,5...28 / 0,15...0,7 210 35
Тв 340 2
Трубы медные круглого сечения для воды и газа ГОСТ 52318-2005 M1p, М1ф Т М 6...22 / 0,5...1.5 220 δ10≥40
ПТ 6...54 / 0,5...2 250 δ10≥20
Тв 6...267 / 0,5...3 290 δ10≥3
Условные обозначения:
ХД - холоднодеформированные; Пр - прессованные; Т гянутые;
П - прокатанные: М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв - твердое; h, h,d — ширина, высота, диаметр отверстия.
Таблица 7. Прутки, катанка и проволока из меди. Размеры и механические свойства
Продукция,стандарт или технические условия Марка Изгот. Сост. пост. Размеры, мм Временное сопротивление σb , МПа Относительное удлинение δ10, %
не менее
Прутки квадратные, ТУ 48-21-97-72 М2 Пр 42...94 200 30
Прутки, IOCT 1535-2006 M1, M1p, Мф, М2р, МЗр, М2, М3 Т М 3...50 200 35
ПТ 240 10
Тв 270 5
Пр 20...50 190 30
Профили из бескислородной меди, ТУ 48-21-637-79 М0б Т М b x h 11,4 x 8 200 38
Проволока для заклепок, ТУ 48-21-456-2006 M1, М2 Т Тв d 1...2 240 8
d 2...10,7 240 15
Проволока из бескислородной меди, ТУ 48-21-158-72 М0б Т М d 3,5;4,2 200 30
Проволока крешерная, ГОСТ 4752-79 М0б ХД Тв d 3...10 320...
360
Проволока для электротехнических целей, ГОСТ 434-78 М0, M1 Т М d до 2,5 35
d 2,5...7 35
d 7…10 35
d св. 10 35
Тв d до 2,5 310
d 2,5...7 290
d 7...10 270
d св. 10 270
Катанка медная, ТУ 16705.491-2001 не ниже M1 НЛ d 8...23 160 35
Условные обозначения:
Пр - прессованные; Т - тянутые; ХД - холоднодеформированная; НЛ - непрерывное литье и прокатка; 
М — мягкое; ПТ — полутвердое; Тв - твердое; b - ширина; h — высота; d — диаметр.
Медь в основном используется в электротехнической промышленности, связи, строительстве и транспорте. Мировое потребление меди возросло в 2003г. на 6,4%, до 14,9 млн. т по сравнению с 14,1 млн. т в 1999 г. Максимальный прирост потребления металла в абсолютных показателях достигнут в Европе и азиатских странах. Наибольшими темпами потребление меди увеличилось в Европе - на 15,9%, далее следуют азиатские страны - 14,4%.

Россия является одним из основных производителей меди, при этом более 70% рафинированной меди поставляется отечественными предприятиями на экспорт. По этой причине медь, наряду с основными энергоносителями (нефтью и газом), алюминием, никелем и черными металлами, является одним из основных экспортных товаров Российской Федерации, занимая около 4 - 7 % в объеме поступающей экспортной выручки.

Основные месторождения медных руд в России расположены в Красноярском крае и на Урале. Кроме этого, значительные объемы руды российские предприятия получают из Казахстана и Монголии. Однако в отличие от северных месторождений залежи медных руд в этих регионах к настоящему времени существенно выработаны, что в совокупности с развитием этими государствами собственной производственной базы снижает привлекательность казахстанского и монгольского сырья для отечественных переработчиков.

Основные производства меди Российской Федерации, так же как и месторождения, сконцентрированы на Урале и в Заполярье. Более 70% общего производства приходится на предприятия вертикально -интегрированной ГМК “Норильский Никель”. В состав этого предприятия входят “Норильская горнометаллургическая компания”, “Североникель” и “Печенганикель”. Кроме этого, в структуру компании входят ряд добывающих и перерабатывающих предприятий. Оставшуюся часть выпуска обеспечивают предприятия Уральского региона, такие, как АО “Уралэлектромедь” или АО “Кыштымский медеэлектролитный завод».

Семь металлов принято считать доисторическими. Золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть были известны людям с древнейших времен. Роль меди в становлении человеческой культуры особенна. Каменный век сменился медным, медный - бронзовым. Не везде этот процесс происходил одновременно. Коренное население Америки переходило от каменного века к медному в 16 веке, т.е. всего 400 лет назад. В Древнем Египте медный век наступил в 4 тысячелетии до нашей эры. Доказано, что знаменитая пирамида Хеопса выложена из камней, вытесанных инструментом из меди.

Подобно золоту и серебру медь способна образовывать самородки. Видимо, из них около 10000 лет назад были изготовлены первые металлические орудия труда. Распространению меди способствовали такие ее свойства, как способность к свободной ковке и относительная простота

выплавки из богатых руд.

Становление меди как инструментального материала в истории развития человечества описал древний поэт и философ Лукреций Кар :

Прежде служили оружием руки могучие, когти,

Зубы, каменья, обломки ветвей от деревьев и пламя, После того была найдена медь...

1 Литературный обзор

1.1 Медь и ее свойства. Физические свойства

Медь — минерал, относящиеся к классу самородных элементов. В этом минерале обнаруживаются Fe, Ag, Au, As и другие элементы в виде примеси или образующие с Cu твёрдые растворы. Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Является одним из первых металлов, широко освоенных человечеством из-за сравнительной доступности для получения из руды. Медь является самым известным металлом человеку с очень древних времен.

Медь является первым элементом группы IB периодической системе, атомный номер 29, атомная масса 63,546.

Этот элемент является изоморфным и кристаллизуется с получением гранецентрированной кубической решетки типа А1. Период решетки меди при 18°Сравен 0,36074 нм (с повышением температуры период возрастает). Периоды решетки меди при различных температурах приведены в таблице 1[1].

Таблица 1 — Периоды решетки меди при различных температурах

т, к

0

291

573

773

944

1044

1144

Период решетки

0,35957

0,36074

0,36260

0,36308

0,36526

36603

0,36683

Элементы, которые находятся в твердом растворе, изменяют период решетки меди. Чем больше различия в размерах атомов меди и растворенного элемента, тем выше эти изменения.

Большинство физических свойств зависит от чистоты и состояния меди. Основные физические свойства меди высокой чистоты приведены в таблице 2 [1].

Таблица 2 — Физические свойства меди

Свойства

Состояние

твердое

жидкое

Температура плавления, °С

-

1084

Температура кипения, °С

-

2560

3

Плотность при 20 °С, кг/м

8890

-

3

Плотность при 1083 °С, кг/м

8320

7930

Теплота плавления, кДж/кг

-

208

Теплота испарения, кДж/кг

-

5440

Продолжение таблицы 2

Свойства

Состояние

твердое

жидкое

Удельная теплоемкость при постоянном давлении    при 20

°С, кДж/(кг К)

385

Удельная теплоемкость при постоянном давлении при 1083 °С, кДж/(кг К)

545

Температурный коэффициент линейного    расширения при

20...100 °С, К'1

16,8 106

Удельное    электрическое

сопротивление при 20 °С, мкОм м

0,01724

Теплопроводность при 20 °С, Вт/(м К)

390

-

Удельная    электрическая

проводимость    при 20    °С,

МСм/м

581

Температурный коэффициент электрического сопротивления при 0...100 °С, К'1

4,33 103

3

Постоянная Холла R, м /Кл

-0,52 1010

Магнитная восприимчивость

9

-0,086 109

Модуль нормальной упругости (Модуль Юнга), ГПа

111...125

-

Модуль упругости при сдвиге (Модуль сдвига), ГПа

42...46

-

Коэффициент Пауссона

0,35

-

Плотность. По международному стандарту IACS [1] принята

3

плотность меди, равная 8890 кг/м , при температуре 20 °С.

Плотность разных марок меди, при 20 °С, имеет небольшие различия. Плотность марок меди приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Плотность марок меди при 20 °С

Марка

3

Плотность, кг/м

Медь бескислородная М006

8963±3

Медь бескислородная М06

8950

Медь, раскисленная фосфором М2р (0,04 % Р)

8930

3

Литая медь имеет плотность, равная 8920 кг/м . Плотность отожженной меди, при холодной деформации, уменьшается, так как увеличивается концентрация вакансий, дислокаций и других дефектов тонкой структуры. Известно, что возврат и рекристаллизация при нагреве наклепанного металла повышают плотность меди до исходного значения [1].

При нагреве решетка меди становится шире, из этого следует, что плотность уменьшается. Плотность меди при различных температурах (на примере марки М1) приведены в таблице 4[1].

Таблица 4 - Плотность меди марки М1 при различных температурах

н

О

о

20

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

Плотность,

кг/м3

8890

8680

8610

8550

8470

8400

7960

7860

7770

7700

При увеличении температуры меди марки М1, плотность уменьшается.

0,1    0,4    0,6    0,8


Содержание примесей, %

Рисунок 1 — Влияние легирующих элементов на электропроводность меди

Электрические и магнитные свойства. Широкое применение меди в технике можно объяснить тем, что материал электро- и теплопроводный. Эти свойства считаются самыми основными для меди. Электросопротивление меди в твердом состоянии зависит от чистоты металла, т.е от концентрации имеющихся примесей в материале. Известно, что примеси и легирующие элементы уменьшают электропроводность меди (рисунок 1), но повышают удельное электросопротивление (рисунок 2).

По данным приведенным на рисунке 1 можно сказать что, незначительно снижают электропроводность меди малые добавки только некоторых элементов, например серебра, кадмия, магния, хрома, циркония и др. Эти же добавки, образуя с медью твердые растворы, повышают ее прочность и твердость. Серебро, кадмий и магний дают с медью твердые растворы со сравнительно высокой предельной концентрацией (при температуре эвтектики предельная растворимость серебра в меди — 8,8%, кадмия — 2,7%, магния — 2,8%) [1].

Рисунок 2 — Влияние примесей и малых концентраций легирующих элементов на удельное сопротивление меди высокой чистоты

Из данных рисунка 2 дают видно, что содержание примесей и легирующих элементов увеличивают удельное сопротивление меди. Серебро уменьшает удельное сопротивление меди.

Медь немагнитная, но при введении примеси железа и провести термообработку (отжиг, отжиг и холодная прокатка), то такой сплав обусловлен магнитными свойствами.

Тепловые    свойства.    Медь, при повышении температуры,

увеличивается удельная теплоемкость. Также может быть определена для твердого состояния по эмпирической зависимости:

= 0,3466 + 8,96 • 10-5 , Дж/(° • г)

Когда медь в жидком состоянии, находящаяся в интервале температур перегрева и при литье слитков, удельная теплоемкость практически не зависит от температуры и принимается равной 545 кДж/(кг К).

Температурный коэффициент линейного расширения, при повышении температуры, несколько увеличивается и его средине значения в разных интервалах температур приведены в таблице 5 [1].

Таблица 5 — Температурный коэффициент линейного расширения при разных интервалах температур

Интервал температур г

"емпературный коэффициент линейного расширения, К 1

20.. .100

16,8 106

20...300

17,7 106

20...500

18,6 106

Исходя из данных таблицы 5 можно сказать, что при увеличении температуры, коэффициент линейного расширения повышается.

Теплопроводность меди. Примеси и вводимые легирующие элементы в расплав меди, существенно снижают теплопроводность. Теплопроводность меди при температуре 20 °С приведена в таблице 6 [1].

Таблица 6 — Теплопроводность меди при температуре 20 °С

Марка

Наименование

Теплопроводность, Вт/(м К)

М006

Бескислородная

395

М06

Бескислородная

390

М1

Катодная переплавленная

385

М2р

Раскисленная фосфором

335

Теплопроводность жидкой меди, так же как и удельное электросопротивление, с повышением температуры выше точки плавления заметно увеличивается. (таблица 7) [1].

Таблица 7 — Теплопроводность и удельное электросопротивление жидкой меди при различных температурах

т, °с

1084

1100

1200

1400

1600

Теплопроводность, Вт/(К м)

165,6

166,1

170,1

176,3

180,4

Удельное

электросопротивление, мкОм м

0,200

0,202

0,212

0,233

0,253

Увеличение температуры, теплопроводность и электросопротивление увеличиваются.

Механические свойства меди меняются в зависимости от состояния (литое,    деформированное,    отожженное),    от способа получения

полуфабрикатов, температуры испытания и других факторов.

Различные марки меди при статических испытаниях на растяжение при температуре 20 °С практически не различимы друг от друга. Механические свойства кислородосодержащей меди марки М1 при статических испытаниях на растяжение при 20 °С приведены в таблице 8, а в таблице 9 — свойства бескислородной меди марки М1б.

Таблица 8 — Механические свойства кислородосодержащей меди марки М1

[1]

Свойства

Состояние

Деформированное

Отожженное

Временное сопротивление, МПа

340... 450

220...245

Предел текучести, МПа

280... 420

60...75

Предел упругости, МПа

180... 280

~ 25

Относительное удлинение, %

4...10

45...55

Относительное сужение, %

40... 60

65...80

HB

90...110

35...55

HRB

40... 60

35...55

Таблица 9 — Механические свойства бескислородной меди марки М1б [1]

Свойства

Состояние

Деформированное

Отожженное

Временное сопротивление, МПа

340... 450

220...250

Предел текучести, МПа

280... 400

60...75

Относительное удлинение, %

4... 6

40...50

Относительное сужение, %

35... 45

70...80

HB

90...110

45

Предел прочности на срез, МПа

210

150

Предел выносливости, МПа (N=108 циклов, К t =1)

100... 120

70...80

2

KCU, Мдж/м2

1,0

1,70

*

Коэффициент концентрации напряжения

Исходя из таблиц 8 и 9 можно сказать, что временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение практически не изменились при содержании кислорода в меди, так и без содержания кислорода.

Медь нашла применение в промышленности. Из технической меди делают    полуфабрикаты    и поставляют в мягком    (отожженном),

полунагартованном (обжатие 10...30 %) и твердом (обжатие более 35 %) состоянии. Полуфабрикаты и их механические свойства приведены в таблице 10 [1].

Таблица 10 — Механические свойства полуфабрикатов из сплава меди

Марка

меди

Вид полуфабрикатов

Временное

сопротивление,

МПа

Относительное удлинение, %

Относительное сужение, %

Число скучиваний в одну сторону

Число

перегибов

М1

Катанка (0 7,2 мм) 1

229

41,5

67,6

25,8

10

М06

Катанка (0 7,2 мм)*2

220

42,1

91,1

47,4

15

Прутки (0 5...40 мм) 2

мягкие

200

38

-

-

-

твердые

270

5

-

-

-

Прутки прессованные

200

30

-

-

-

(0 14...20 мм)*2

Прутки катаные

250

8

-

-

-

(0 35 100 мм) 2

М1

Проволока (0 1,8 мм) 2

427

1,4

59,4

49,7

12

М06

Проволока (0 1,8 мм) 3

461

1,3

88,9

210

17

*1

*2

*3

Из вайербарсов горизонтального литья. Из вайербарсов непрерывного литья.

Из слитков горизонтального литья.

В таблице 10 приведены механические свойства катанки, прутков и проволоки различного способа производства.

Механические свойства проволоки, получаемой волочением, резко отличается от проволоки, получаемой методом вытягивания из расплава — литого микропровода. Литой микропровод в зоне активного охлаждения закаливается от температуры 1300...1200 °С до комнатной с большими скоростями.

1.3 Технологические свойства

Важнейшие технологические свойства меди и качественная оценка технологических процессов изготовления изделий из меди марки М1 различной степени очистки приведены в таблице 11.

Свойства

Медь М1

кислородосодержащая, электролитическая (99,9 % Cu)

Медь М1р, раскисленная фосфором, с высоким содержанием фосфора (99,9 % Cu)

Медь М1б, бескислородная (99,95 % Cu)

Жидкотекучесть, мм

350

350

350

Линейная усадка, %

2,0

2,1

2,1

Температура литья, °С

1150

1150

1150

Температура горячей обработки давлением, °С

700...950

*2

(850...900) 2

750...875

735...875

(850...900)*2

Максимальное суммарное обжатие при холодной деформации (прокатка, волочение), %

До 90

До 95

До 95

Температура    отжига-рекристал

лизации, °С

375...650

375...650

375...650

Обрабатываемость резанием (по отношению к латуни ЛС 63-3), %

20

20

20

Гибкость в холодном состоянии отожженного материала

5*3

5

5

Мягкая пайка

4*з

4

4

Твердая пайка

3*3

5

5

Газовая сварка плавлением

2*3

5

5

Газовая сварка в среде инертного газа

5

5

5

Механическое полирование

4

4

4

Электролитическое полирование

5

5

5

Способность    к гальваническим

покрытиям

5

5

5

Пригодность к    плакированию

другими металлами и сплавами

3

3

5

Пригодность к горячему цинкованию

5

5

5

----

Кислородосодержащая медь огневого рафинирования по техноло-

гическим свойствам аналогична кислородосодержащей электролетической; медь, раскисленная фосфором с низким остаточным его содержанием, и медь, раскисленная бором, аналогична бескислородной меди.

Температура прессования.

Показатели: 5 — отличный; 4 - хороший; 3 — удовлетворительный; 2 — неудовлетворительный.

Медь очень пластична и поэтому хорошо деформируется всеми способами обработки давлением. Бескислородная медь и медь, раскисленная фосфором с малым остатком раскислителя, по деформируемости в горячем и холодном состоянии превосходит кислородосодержащую медь (М1, М2, М3), особенно огневого рафинирования. Меди, в которых находится кислород (заготовки и слитки), нагревают до 875...900 °С, продолжительность нагрева зависит от толщины изделия и составляет 15...20 мин на каждые 25 мм

толщины. 700 °С — это минимальная температура окончания горячей прокатки и ниже этой температуры кислородосодержащую медь обрабатывать не советуют, так как происходит растрескивание заготовок.

Кислород является самой вредной примесью в меди и ее сплавов. Ведь такая примесь понижает технологическую пластичность меди, уменьшает коррозионную стойкость и затрудняет процессы пайки и сварки.

Кислород попадает в металл в процессе плавки, при технологических нагревах перед горячей обработки давлением, в процессе отжига, при свареке и пайки.

Окислительный процесс состоит из двух стадий:

I    - В результате непосредственного взаимодействия меди с окислительной средой на поверхности образуется пленка оксидная, которая защищает металл от контакта с кислородом;

II    - Кислород взаимодействует с пленкой оксидов, через которую проникает в глубь металла и тем самым вызывает внутреннее окисление.

Скорость диффузии кислорода, которая характеризуется глубиной проникновения его в металл, зависит от температуры технологического нагрева (рисунок 3) [1].

Рисунок 3 — Зависимость глубины окисления бескислородной меди от продолжительности отжига при различной температуре

При относительно низких температурах 500 °С и 600 °С глубина проникновения невысока. А при более высоких температурах 700...800 °С начальное окисление со временем переходит в более быстрое окисление. От температуре 900 °С и выше длительность переходного периода так мала, что окисление с самого начала идет с постоянной и большой скоростью, как показано на рисунке 3.

Термическая обработка. Изделия и полуфабрикаты из меди подвергаются двум видам термической обработки: отжигу для уменьшения остаточных напряжений и рекристаллизационному отжигу. 200...240 °С —

температура начала рекристаллизации бескислородной меди высокой чистоты, а электролитической деформированной меди в зависимости от содержания кислорода — 180...230 °С [1]. Что бы избежать водородной болезни изделия и полуфабрикаты из меди, содержащей кислород, их отжигают в слабоокислительной или нейтральной атмосфере, а из бескислородной меди и меди, раскисленной    фосфором,    - в нейтральной или

слабовосстановительной, чтобы понизить потери металла из-за окисления.

Температура рекристаллизационного отжига и времени выдержки зависят от вида и размеров деформированного полуфабриката и назначения отжига: промежуточный между операциями деформации или окончательный [11-

Режимы окончательного отжига устанавливают, исходя из физических и механических свойств требуемые для изделия.

Оптимальные режимы отжига для различных деформированных полуфабрикатов технической меди приведены в таблице 12 [1].

Таблица 12 — Режимы отжига деформированноых полуфабрикатов из технической меди

Полуфабрикат

Толщина,

мм

Вид отжига

н

о

о

Лист, полоса, лента

5,0

Промежуточный

600...650

1,0...5,0

Промежуточный

580...650

0,5... 1,0

Промежуточный

520...620

0,5... 1,0

Окончательны

480...550

Заготовка трубная

5,1

Промежуточный

590...610

диаметром более 80 мм

2,0...5,0

Промежуточный

550...580

Трубы

Все

Окончательны

590...610

Прутки

размеры

Окончательны

590...610

Профили

Окончательны

600...650

Все виды

Все

Окончательны

100...230

полуфабрикатов

размеры

(для уменьшения остаточных напряжений)

Механические свойства, определяют качество отожженного металла. Размер зерна так же оказывает влияние на механические свойства. Размер зерна довольно однороден в полностью рекристаллизационной структуре. Если неправильно установлен режим рекристаллизационного отжига, то в структуре металла могут присутствовать две группы зерен разного размера. Их называют двойная структура [1].

Когда увеличивается зерно, ухудшается поверхность штампованных изделий. При величине зерна более 40 мкм на поверхности изделия появляется шероховатость.    Если применить оптимальные режимы

рекристаллизационного отжига, то можно добиться частично или полностью рекристаллизационную структуру без шероховатой поверхности.

Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в любых средах. Этот элемент стоит в электрохимическом ряду ближе к благородным металлам и обычно не вытесняет водород даже из кислых растворов. По природе медь не является химически активным элементом, следовательно скорость ее коррозии обычно невелика, если даже разрушению препятствует пленка нерастворимых продуктов коррозии.

Влияние кислорода на механические свойства меди.

Материалами будущего для изделий электротехнического назначения, у которых высокая электропроводность и повышенная прочность при повышенных температурах, являются медные композиционные сплавы, которые упрочнены дисперсными частицами карбидов [2].

Медь легко окисляется кислородом воздуха в условиях открытой плавки. Чистая катодная медь после переплавки в обычной среде всегда содержит кислород (до 0,05 %). Когда медь кристаллизуется на поверхности

образуется закись, которая выделяется в виде эвтектики (Cu+Cu2O) и располагается как сетка по границам зерен и при этом понижает пластичность металла. Но что бы этого не произошло медь раскисляют фосфором, алюминием или кремнием, но и это становится минусом, так как снижается электропроводность.

В статье В.Г. Бабкина, А.И. Трунова и А.И. Черепанова написаны результаты эксперимента:    «В процессе переплавки катодной меди в

открытой индукционной тигельной печи при синтезе карбидов хрома в медных расплавах происходит увеличение содержание кислорода в металле. Методом термического анализа определили возможные фазовые переходы

-3

окисленной катодной меди в условиях вакуума (133 10 Па).»

Этот эксперимент показал, что катодная медь с участием кислородосодержащей газовой фазы подтвердил ее способность растворять кислород с образованием раствора в жидком металле[2].

Структура определяет прочность дисперсно-упрочненного материала. Литая структура, по сравнению с чистой медью, небольшие добавки синтезированных частиц карбидов хрома в расплаве играют роль модификатора, которые измельчают зерно меди. Микроструктура литой меди с добавками упрочняющих фаз представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Микроструктура литой меди с добавками упрочняющих фаз

Микроструктура изделия более с мелкой структурой, имеют высокие механические свойства. В эксперименте В.Г. Бабкина, образец с содержанием 3    % упрочняющей фазы (СГ3С2), имеется достаточно равномерное

распределение частиц карбида хрома по объему матрицы. Размер частицы упрочняющей фазы <1 мкм.

Исходя из данной статьи можно сказать, что литая структура образцов с различным содержанием упрочняющей фазы позволяет установить модифицирующее влияние при их небольшом количестве (до 0,2 мае. %) на измельчение зерна меди.

1.4 Особенности производства литых заготовок из медных сплавов

В промышленности применяется несколько    низколегированных

медных сплавов, в    состав которых входят легкоиспаряющиеся и

легкоокисляющиеся элементы: кадмий, хром, цирконий, алюминий, бериллий и др.

В металлургии бронзы из хрома находят применение для изготовления кристаллизаторов установок непрерывной разливки сплавов, барабанов-кристаллизаторов при производстве аморфной ленты из стали и кобальтовых сплавов [7]. В электротехнике двойная бронза из хрома применяется для    изготовления коллекторных пластин    для

высоконагруженных двигателей и контактных колес, проводников электрического тока и т. д. В машиностроении такие бронзы применяются для изготовления шестерен, тормозных колодок самолетов и автомобилей, элементов двигателей внутреннего сгорания. Весьма актуально применение бронз из хрома в качестве материала кокилей при литье легких сплавов, штампов и пресс-форм в производстве пластмасс, керамики и др.

Легирование меди хромом и цирконием можно использовать разными способами: лигатурами медь - хром и медь - цирконий и чистыми металлами.

Выплавку сплава медь - хром рекомендуется вести в вакуумных печах во избежание самонасыщения ее кислородом и уменьшения потерь хрома. Тем не менее при выплавке лигатуры расплав необходимо перегревать до температуры 1600 °С и выдерживать его в печи долгое время до полного растворения хрома. Это приводит к взаимодействию хрома с графитом тигля и графито-шамотной прибыльной надставкой, вымыванию из тигля частиц графита и увлечению их в расплав [7]. В результате в полуфабрикатах из сплавов Cu-Cr визуально замечаются включения темного цвета. Установлено [7], что макровключения изображают собой графит с примесями Fe, S, Si, Al, O.

Так как содержание хрома в лигатуре невелико (не превышает 6...7 %), то доля лигатуры в составе шихты значительна и иногда достигает 22.25 %. Более того, гетерогенность лигатуры по составу затрудняет шихтовку сплава. Получение гомогенных меднохромовых лигатур с более высоким содержанием хрома практически затруднительным ввиду наличия в системе Cu-Cr расслоения в жидком состоянии. В публикации [8] представлена технология получения полуфабриката из сплава Cu-Cr с содержанием хрома 18...22 % и равномерным распределением его по сечению слитка, предусматривающая мгновенный нагрев и расплавление шихты, перегрев расплава до температуры 1873.1973 К, введение Cr и разливку при температуре 1723.1773 К в водоохлаждаемую изложницу. Опыт эксперимента показал, что усвоение хрома происходит практически полностью.

Верности ради следует отметить, что температурно-временной режим плавки с использованием лигатуры медь - хром несколько ниже, чем с использованием чистого хрома. Однако эта разница невелика и не искупает недостатков применения лигатуры.

Достоинства легирования чистыми металлами заключаются в следующем. Во-первых, ввиду неоднократного уменьшения массы вводимой навески чистых металлов их удобнее присаживать в металл. Во -вторых, в результате устранения стадии выплавки и подготовки лигатуры заметно сокращаются сквозные потери легирующих элементов и резко облегчается технологическая схема производства.

Что касается циркония, который легко растворяется в медном расплаве и имеет низкую упругость паров, применение лигатуры может подтверждаться только опасностью окисления. При легировании же чистыми металлами взамен лигатур заметно увеличивается стабильность состава выплавляемых сплавов.

К изделиям из низколегированных медных сплавов предъявляются высокие запросы по качеству поверхности, твердости, теплопроводности и электропроводности. Эксперименты [9,    10] показали, что скорость

растворения хрома обуславливается от содержания примесей в сплаве, которые находятся в хроме или лигатуре медь - хром и в меди (кислород, алюминий, кремний, фосфор), состава покровного флюса и исходного размера кусков хрома.

Кинетику растворения металлического хрома в жидкой меди исследовали путем отбора из расплава проб через определенные промежутки времени. В эксперименте модифицировали размер кусков хрома и температуру расплава при легировании. Температура расплава и размер кусков хрома оказывают существенное влияние на скорость растворения хрома [7]. Отмечено, что при размере кусков металлического хрома 10...20 мм степень его растворения через 30 мин после ввода составляет 70...80 %. Причем, увеличение температуры расплава меди с 1300 до 1350 °С приводит к увеличению скорости растворения хрома и наоборот. Этот эксперимент позволил назначить термовременной режим плавки хромовой бронзы. Результаты эксперимента находятся в соответствии с ранее выполненными экспериментами [7,9,10].

Как отмечалось ранее, сильное влияние на скорость растворения хрома в меди оказывают примеси, содержащиеся в хроме или лигатуре. Определено, что для увеличения степени усвоения хрома медью лигатура должна содержать высокоактивные раскислители (Ti, Al). Возможно, что решающее значение имеет количество раскислителя. Если количество вводимого элемента с высоким сродством к кислороду меньше, чем необходимо для связывания растворенного в жидкой меди кислорода, то оно делает только раскисляющее действие. Если его количество выше необходимого для связывания кислорода, то элемент будет выражать не только раскисляющее действие, но и легирующее и модифицирующее, оказывая влияние на фазовый состав сплава и на дисперсность выделяющихся фаз.

1.5 Влияние примесей на структуру и свойства меди

Как уже говорилось выше, структура и свойства меди во многом зависят от присутствующих в ней примесей.

По виду взаимодействия с медью примеси разделяют на три группы

[11]:

I    - относятся металлы, растворяющиеся в твердой меди (Al, Fe, Ni, Zn, Ag, Au, Pt, Cd, Sb);

II    - представлена элементами, практически нерастворимыми в меди в твердом состоянии и образующими с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Pb);

III    - полуметаллические и металлические элементы, образующие в ней химическое соединения (P, Se, S, O2, Te, As и др.).

Элементы, входящие в первую группу не сильно влияют на свойства меди в тех количествах, которые характерны для металла технической чистоты. В больших количествах некоторые из этих элементы хорошо сказываются на свойства меди и поэтому применяются для легирования.

Нерастворимые примеси в меди, обычно негативно влияют на ее механические и технологические свойства. Большую вредность на медь оказывает висмут. В системе Cu-Bi (рисунок 5) появляется легкоплавкая эвтектика, состав которой почти совпадает с висмутом (99,8 % Bi).

Рисунок 5 — Диаграмма состояния Cu-Bi

Эвтектика кристаллизуется при такой же температуре, что и висмут (270 °С). Растворимость висмута в меди очень мала и не превышает 0,001 %. Следовательно, что эвтектические выделения почти чистого висмута по границам зерен появляются при очень малых его количествах. Висмут — очень хрупкий металл, его прослойки по границам зерен приводят к хладноломкости меди и ее сплавов.

Сурьма, аналог висмута, из-за заметной ее растворимости в меди оказывает значительно меньше вредного влияния. Однако у сурьмы есть и недостатки. Она уменьшает электропроводность и теплопроводность меди.

Свинец с медью даст монотектическое превращение при 953 °С и эвтектическое при 326 °С (рисунок 6).

Т,иО

то

1000

^шз°с

„БрСЗО Ж,+Жг

953°С

41

92,б\

800

600

си2

ш

400

327°С

200

326° С

..]_

Си + РЬ

_Л_1_

J_

Си 20    00    50    ВО РЬ

% (по массе)

Рисунок 6 — Диаграмма состояния Cu-Pb

Эвтектика в системе Cu-Pb по составу практически совпадает с чистым свинцом (99,96 % Pb). Растворимость свинца в меди очень мала, поэтому эвтектические выделения свинца по границам зерен появляются при очень небольших его содержаниях.

Свинец не приводит к хладноломкости меди, так как он пластичен, но из-за низкой точки плавления эвтектики вызывает горячеломкость. Свинец облегчает обработку медных сплавов резанием, так как делает стружку более ломкой. В медных сплавах допускается большое количества содержания свинца, если хорошая обрабатываемость давлением при высоких температурах не является решающим фактором.

1.6 Техническая медь

Исходя от чистоты медь подразделяется на несколько сортов. Марки технической меди и содержание в ней неблагоприятных примесей приведены в таблице 13.

Таблица 13 — Химический состав технической меди

Марка

меди

Содержание компонентов, % (по массе), не более

Cu не

менее

Bi

Sb

Pb

S

O

М00

99,99

0,0005

0,001

0,001

0,002

-

М0

99,95

0,001

0,002

0,004

0,004

0,02

М06

99,97

0,001

0,002

0,004

0,004

-

М1

99,90

0,001

0,002

0,005

0,005

0,05

М1р

99,90

0,001

0,002

0,005

0,005

0,01

М2

99,70

0,002

0,005

0,010

0,010

0,07

М2р

99,70

0,002

0,005

0,010

0,010

0,01

М3

99,50

0,003

0,050

0,050

0,010

0,08

М3р

99,50

0,003

0,050

0,030

0,010

0,01

Ж

б — бескислородная медь; р — раскисленная медь.

Очень высокой чистотой отличается медь МВ, переплавленная в вакууме (менее 0,01    %    примесей), и медь МЭ, полученная

электроннолучевой плавкой бескислородной меди (менее 0,005 % примесей).

Механические свойства меди разных марок при комнатной температуре совпадают, но наблюдается тенденция к повышению прочности и уменьшению пластичности с повышением содержания в ней примесей.

С увеличением температуры прочностные свойства меди падают (рисунок 7).

Рисунок 7 — Влияние температуры испытаний на механические свойства

меди и ее сплавов

Относительное удлинение и поперечное сужение остаются постоянными до 200 °С, при повышении температуры резко уменьшаются и лишь при нагреве выше 600 °С снова начинают возрастать. Такой провал пластичности объясняется примесями; для меди высокой чистоты (вакуум -плавленной МВ и электроннолучевой плавки МЭ) при испытании в вакууме провала пластичности не наблюдается [11].

После холодной пластической деформации медь наклепывается и при высокой степени деформации ее временное сопротивление разрыву достигает 400- 450 МПа при синхронном падении относительного удлинения до 2-4 % (рисунок 8).

Рисунок 8 — Влияние степени деформации на механические свойства меди и

латуней

Холодная пластическая деформация увеличивает электрическое сопротивление меди максимум на 3-5 %.

По приведенному обзору литературы видно, что неисследованными являются структурные изменения при различных условиях литья медных сплавов и чистой меди. Это является нашей данной работой.

1.7 Модифицирование медных сплавов

Улучшение механических свойств достигается измельчением первичного зерна отливок. Для этого перед литьем в расплав вводят тугоплавкие элементы (в количестве 0,02...0,1 %) - Ti, V, Zr, В, W, Мо, образующие с компонентами сплавов тугоплавкие интермегаллиды, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации.

Однако следует отметить, что модифицирующее действие присадок тугоплавких элементов во многом определяется наличием в сплаве железа. В

сплавах, не содержащих железа, модифицирующее действие титана и вольфрама не проявляется.

Наиболее эффективное измельчающее действие на величину зерна оловянных бронз (БрО10Ц2, БрОЮ, Бр08Ц4 и Бр05Ц5С5) оказывает цирконий (0,01...0,3 %) и бор (0,03...0,06 %). Совместные присадки 0,10...0,30 % Ti и 0,03 % В или 0,20 % Fe и 0,03 % В способствуют измельчению зерна в большей степени, чем раздельное их введение.

Модифицирование двойных алюминиевых бронз этими же модификаторами не дает положительных результатов. При наличии в этих бронзах железа и марганца перечисленные добавки оказывают эффективное модифицирующее действие.

Модификаторы вводят в расплав в виде лигатур: алюминий - ванадий (до 50 %), медь - бор (3...5 %), алюминий - титан, медь - титан и другие в количестве 0,1.    ..0,02% от массы расплава при 180...    1200    °С.

Модифицирующее действие присадок титана, бора, циркония сохраняются только до температуры 1200 °С.

1.8 Механизм модифицирования меди

Важнейшая тенденция развития техники и технологии обработки цветных металлов - широкий переход от дискретных к непрерывным и совершенным процессам. На данный момент непрерывным и совершенным процессами в мире производят 96 % медной проволочной заготовки и лишь 4 % методом прокатки вайербарсов на сортовом стане. Практически половина всего объема производства рафинированной меди перерабатывается в проволочную заготовку или катанку диаметром примерно 8 мм для последующего производства проволоки, кабеля и других проводников тока.

Класс катанки, при непрерывном производстве методами совершенного литья, существенно зависит от качества непрерывно-литой заготовки. Чтобы повысить качество непрерывно-литой заготовки нужно устранять характерные дефекты, присущие ей. Например, газовая пористость, поверхностные трещины, неслитины. Помимо этого, в структуре непрерывно-литой    заготовки наблюдается ярко выраженная

транскристаллизация, которая является причиной возникновения трещин, т.к. для крупнозернистой столбчатой структуры характерны слабые межзеренные связи, чем для мелкозернистой равноосной структуры. [7] Характерные дефекты литой заготовки устраняются измельчением структуры металла. Измельчения структуры металла можно добиться при помощи применения электромагнитного    перемешивания,    воздействия вибрации на

кристаллизующийся расплав, применения микрохолодильников, но действующий способ управления структурой - это введение в расплав малого количества добавок модификатора.

Степень модифицирующего воздействия того или иного элемента можно оценить по знаку разности эффективных ионнизационных

потенциалов матрицы и модификатора Ume - UMO$ [8]. Если эта разность больше нуля, то данный элемент является модификатором. Если меньше нуля, элемент считается демодификатором. Вторым фактором считается фактор растворимости примеси в данной матрице. Модификатор, который сильно измельчает зерно, должен образовывать химические связи с кластерами, не входить в их состав, т.е. модификатор должен образовывать фрактальные кластеры - это кластеры металла, химически связанные с кластером модификатора, где кластер модификатора располагается между кластерами металла. Соответственно элемент, обладающий свойствами модификатора, должен обладать низкой растворимостью в твердом металле и ограниченную в жидком.

Вышесказанные факторы можно выделить в полуэмпирическую формулу для расчета коэффициента модифицирующей активности модификатора:

Д = (Ume - UMod)/Cs,

где ^ - коэффициент модифицирующей аткивности; Ume - эффективный ионизационный потенциал матрицы; UMOd - эффективный ионизационный потенциал модификатора; Cs - растворимость модификатора в твердом металле, ат. %.

Параметр ц имеет только относительное значение и служит для сравнения коэффициентов модифицирования различных элементов. Значение коэффициента ц для различных модификаторов и демодификаторов второго рода применительно к чистой меди приведены в таблице 14 [6].

Таблица 14 - Коэффициенты модифицирующей активности элементов применительно к чистой меди

Элемент

Cs, ат.%о

Uмoд

F

Демодификаторы

Fe

0,3

3

-0,3

Co

9

3,11

-0,022

Ni

100

3,2

-0,002

Ir

1

3.26

-0,350

Pt

14

3,34

-0,030

Pd

8

3,45

-0,068

Mn

25

3,66

-0,030

Ru

0,0001

3,45

-5400

Продолжение таблицы 14


Zn

39

3,17

-0,007

Cr

0,2

3,47

-2,8

Al

20

3,14

-0,012

Mo

0,0001

3,29

-3800

Ge

10,7

3,27

-0,034

Si

7

3,84

-0,133

C

0,0001

4,86

-19500

Nb

0,0001

3,42

-5100

Sn

0,0001

3,31

-4000

V

8

3,71

-0,1

Ta

0,0001

3,44

-5300

W

7

3,81

-0,129

P

0,6

4,3

-2,317

O

1,54

5,5

-1,682

S

1,5

4,76

-1,233

Модификаторы

La

0,001

2,15

760

Ce

0,001

2,25

660

Pr

0,001

2,24

670

Nd

0,001

2,35

560

Ti

0,001

2,85

60

Zr

0,001

2,87

40

Mg

3

2,42

0,163

Ca

20

1,86

0,053

B

0,5

1,44

2,94

Y

0,001

2,3

610


К модификаторам, согласно таблицы 14 относятся в порядке убывания их модифицирующей способности: La, Pr, Ce, Y, Nd, Ti, Zr. Т.к. в каждом сплаве содержится какое-то свое количество контролируемых и неконтролируемых демодификаторов, очень трудно с помощью какого-то одного модификатора подавить демодифицирующий эффект всего набора известных и неизвестных примесей. Такое явление вызвано тем, что разные элементы имеют разное химическое сродство друг к другу, по-разному взаимодействуют или или оказываются пассивными друг к другу. Поэтому для модифицирования меди целесообразно применить комплексный модификатор,

в состав которого входят элементы, обладающие большой модифицирующей способностью. В данном случае таким модификатором может быть мишметалл (Ce - 60%, La - 22%, Nd - 15%, Pr - 3%).

2 Методическая часть

2.1    Исходный материал

Для проведения исследования мы использовали образцы меди марки М1, полученные по методике разливки проб в металлический кокиль без охлаждения и с охлаждением водой, а также путем добавления в расплав небольшого количества модификаторов (мишметаллы).

А также на образцах меди марки М1 и М00. Нагрев металла производился до температуры 1120 °С. Расплав меди модифицировался в ковше ёмкостью 5 кг, затем выливался в подогретый до 250 °С стальной кокиль с внутренним диаметром 50 мм. Модификатор предварительно запрессовывался в медную трубку, которая вводилась в расплав. Было отлито пять образцов для каждой марки меди, в которых вводимое содержание модификатора изменялось от 0,0025 до 0,0125 мае. %.

Для оценки эффективности модифицирования заливался контрольный образец без модификатора для каждой партии.

Первая партия образцов: 2.1; 5.1; 6.1; 3.05; 4.05; 8.05.

Первая цифра — номер плавки, а цифры после точки содержание легирующей добавки (1 мае. % и 0,5 мае. %).

Вторая партия образцов:

Образец 1 — чистая медь, отлитая в неохлаждаемый кокиль, температура 1320 °С;

Образец 2 — чистая медь с модификатором 0,1 %, отлитая в неохлаждаемый кокиль; 1320 °С;

Образец 3 — чистая медь с модификатором 0,1 %, отлитая вохлаждаемый кокиль; 1320 °С;

Образец 4 — чистая медь с модификатором 0,03 %, отлитая в неохлаждаемый кокиль;1320 °С.

2.2    Методика приготовления микрошлифов

Микрошлифом называют образец металла, поверхность которого приготовлена для металлографического анализа. В зависимости от цели исследования, формы исследуемой детали выбирают место вырезки образца. На вырезанном образце выравнивают поверхность, которая будет исследоваться для анализа. Если материал мягкий, то поверхность получают опиливанием напильником, а если материал твердый, то затачивают на абразивном круге.

Шлифование начинают на бумаге с крупным абразивным зерном, а потом переходят на бумагу с более мелким зерном. При шлифовании вручную образец приготовленной плоскостью прижимают рукой к абразивной бумаге и перемещают его по бумаге в направлении, перпендикулярном к рискам, полученных от опиливания напильником. Шлифуют сплав до полного исчезновения рисок, затем поверхность образца промывают, поворачивают на 90 градусов и шлифуют на шлифовальной бумаге уже с более мелким абразивным зерном до полного исчезновения рисок, полученных от предыдущего шлифования. При замене шлифовальной бумаги одного размера зернистости другим образец промывают и поворачивают на 90 градусов, чтобы риски при последующей обработке получались перпендикулярно к рискам от предыдущей обработки.

Механическое шлифование выполняется на специальных автоматизированных шлифовально-полировальных станках Saphir 520 (рисунок 9), Germany и расходных материалах фирмы Lam Plan, France по методикам, предоставленным ООО «Митэла».

Рисунок 9 — Шлифовально-полировальный станок Saphir 520

Методика механического шлифования аналогична методике ручного шлифования. Нельзя переходить с крупнозернистой бумаги сразу на мелкозернистую. В этом случае грубые риски полностью не устранятся. При шлифовании не стоит сильно нажимать на образец, так как это может привести к заметному нагреву шлифуемой поверхности и внедрение абразивных зерен в металл, в результате чего на микрошлифе будут видны черные точки.

При шлифовании на абразивный круг должна постоянно поступать вода, охлаждающая образец и смывающая абразивные частицы.

2.3    Полирование образцов

После завершения шлифования на шлифовальной бумаге самой мелкой зернистости, полированием удаляют риски, и обрабатываемая поверхность образца становится зеркальной. Механическое полирование проводят на тех же станках, что и шлифование поверхности образцов. На вращающийся круг крепят войлок. Смачивают водой, к вращающемуся кругу, покрытой фетром или сукном прижимают шлифованной поверхностью образец и в процессе шлифования поворачивают. Полируют до полного исчезновения рисок и получения зеркальной поверхности. Для получения качественного полирования образец не рекомендуется сильно прижимать к сукну, так как при этом, хотя и ускоряется удаление рисок, но происходит деформирование поверхностного слоя и искажение структуры, выкрашивание хрупких включений. Сильный нажим на образец приводит к быстрому выдавливанию полировальной жидкости и к возможности пригоранию поверхности. После полирования образец промывают водой, а полированную поверхность дополнительно протирают ватой, а потом просушивают прикладыванием фильтровальной бумаги или легким протиранием сухой ватой.

2.4    Травление образцов

После полирования микроструктура не видна, но бывают исключения. Исключением составляют неметаллические включения (сульфиды, оксиды, графит в сером чугуне) вследствие их окрашенности в различные цвета резко выделяются на светлом фоне полированного микрошлифа.

Для появления микроструктуры шлиф подвергают кратковременному действию реактива - травлению. Травителями для микрошлифов служат слабые растворы щелочей, кислот и солей в воде или спирте.

Реактив для выявления границ зерен медных и бронзовых сплавов имеет следующий состав:

FeCl3 - 5 г, HCl - 15 мл, H2O - 100 мл.

При травлении наиболее полно проявляютя границы зерен. Поверхность шлифа опускали в травитель на 15-20 секунд для выявления границ зерен медных сплавов.

После травления образцы промывали под струей проточной воды, просушивали на фильтровальной бумагой, а потом протирали ваткой.

Травление осуществляли при комнатной температуре, под вытяжным

шакфом.

2.5 Металлографический анализ

Металлографический анализ образцов проводили при помощи оптического микроскопа производства компании Carl Zeiss модель Observer.Dlm (рисунок 10) увеличения Х100, Х200, Х500, Х1000 крат.

Рисунок 10 — Оптический микроскоп Carl Zeiss Observer.Dlm

Рисунок 11 — Микроскоп Carl Zeiss Stemi 2000

Фрактографический анализ образцов проводили с помощью микроскопа производства компании Carl Zeiss модель Stemi 2000 при различных увеличениях (рисунок 11).

2.6 Измерение микротвердости

Методом измерения микротвердости оценивали твердость медных образцов, на приготовленных металлографических шлифах. Метод микротвердости стандартизован (ГОСТ 9450-76) [6].

После исследования микроструктуры на образцах измеряли микротвердость на цифровом микротвердомере марки DM8, при нагрузке 200 кгс (рисунок 12).

Рисунок 12 - Цифровой микротвердомер DM8

Измерения проводили по 8 точкам на каждом образце, от цента к краю. Схема микротвердомера показана на рисунке 13.

Рисунок 13 - Схема микротвердомера DM8 1 - регулировочный болт; 2 - корпус лампы; 3 - линза А (х40); 4 - панель управления; 5 - линза D(x10); 6 - рукоятка перемещения столика; 7 -верхняя крышка; 8 - электронный измерительный микроскоп; 9 - рукоятка выбора нагрузки; 10 - револьверное устройство; 11 - измерительный столик; 12 - боковая панель; 13 - лампа включения; 14 - источник питания;

15 - вход

Порядок работы на приборе:

?    Включите прибор, на панели управления появится главное меню

?    Выберите метод измерения (HV).

?    Поверните револьверное устройство таким образом, чтобы линза А заняла переднюю позицию.

?    Разместите блок на измерительном столике и вращайте рукоятку перемещения столика до достаточного приближения образца к линзе (0,5 мм). Поверхность образца должна быть строго перпендикулярна оси вдавливания индентора.

?    Посмотрите в микроскоп и отрегулируйте интенсивность освещения при помощи «Up key» и «Down key».

?    Путём вращения подстройте окуляр под свои глаза.

?    Сфокусируйтесь на блоке. Никогда не поднимайте столик, глядя в

окуляр, так как существует вероятность повреждения линзы. После фокусировки можете повернуть рукоятку вверх и вниз для небольшой    регулировки.    Если фокусировка неправильно

произведена, повторите пункт 4.

?    После правильной фокусировки поместите измеряемый образец в центр видимого поля.

?    Установите нагрузку с помощью рукоятки выбора нагрузки.

?    Нажмите «Start key», кнопка загорается и подаётся нагрузка.

Если кнопка «Start key» нажата в позиции линзы, то револьверное устройство автоматически устанавливает индентор и подается нагрузка.

Во время измерения исключите различного рода вибрации.

Никогда не поворачивайте револьверное устройство во время работы. Это может привести к неисправности микротестера.

?    Когда «START» перестаёт мерцать, револьверное устройство автоматически устанавливает линзу.

?    Через электронный микроскоп Вы можете видеть отпечаток. Снова сфокусируйтесь. Фокусируйтесь на 4 границах, не на центре отпечатка.

?    При помощи кнопки сведите измерительные линии вместе так, чтобы они не перекрывали друг друга.

?    Нажмите на дисплее ZERO. Диагональ D1 становится «0,0».

?    Немного разделите линии, так, чтобы был виден отпечаток.

?    Поверните левую ручку микроскопа и передвигайте левую измерительную линию до тех пор, пока она не достигнет края отпечатка.

?    Тоже проделайте с правой границей.

?    Нажмите «READ» . На дисплее отобразится длина диагонали D1. Поверните микроскоп на 90° и измерьте длину по вертикали. То же самое проделайте по вертикали

?    Нажмите «READ». На дисплее отобразится длина диагонали D2.

?    Полученное значение микротвёрдости HV отобразится на дисплее.

Меры предосторожности

Использование грязного индентора может привести к получению нечётких отпечатков либо к невозможности проведения измерений. Необходимо убрать грязь чистой тряпочкой или аппликатором. С образца также необходимо удалить грязь и пыль.

2.7 Микрорентгеноспектральный анализ

Микроанализ и анализ химического состава фаз проводился на сканирующем электронном микроскопе EVO50 с    npnMeHeHneM

энергодисперсионного анализатора INCA ENERGY. Электронный микроскоп - это мощный инструмент при выполнении анализа материалов во всех областях материаловедения. Растровый электронный микроскоп в режиме микроанализа позволяет получить данные о химическом (поэлементном) составе вещества в    микрообъемах,    т.е. осуществить

микрорентгеноспектральный анализ (рисунок 14).

Электронно-зондовый    микрорентгеноспектральный анализ в

растровом микроскопе, это анализ на микроскопическом уровне, который дает объективную возможность иметь информацию о поэлементном составе фаз и структурных составляющих малых размеров, соответствующих областям 1-5 мкм.

Микрорентгеноспектральный анализ позволяет получать по спектру характеристического рентгеновского излучения данные об элементном составе вещества. Микроскоп включает два типа спектрометров: волновой, в котором микроанализ вещества определяется по длинам волн характеристического рентгеновского излучения и энергодисперсионный, в котором микроанализ осуществляется по значениям энергий характеристического рентгеновского спектра.

Рисунок 14 - Растровый электронный микроскоп EVO 50

Работа растрового микроскопа в режиме микроанализа В дисперсионном спектрометре INCA оценивается энергетический спектр элементов входящих в состав проверяемого образца, что и является основанием для их количественного и качественного микроанализа. К проблемам энергодисперсионного микроанализа в сравнении с волновым дисперсионным микроанализом следует отнести высокие пределы обнаружения элементов, недостаточные для надежного анализа элементов примесей. При количественном анализе легких элементов (O, N, F) их содержание должно быть больше 2-3%, а тяжелых (Ag, Au, Ti) - более 0,5%. Энергодисперсионный микроанализ также ограничен, связанные с тем, что полупроводниковые детекторы не позволяют разрешать многие близкие спектральные линии, например: S K / Mo L, Si K/ Rb L, Sr L / W M, Al K / Br L.

Для микрорентгеноспектрального анализа применяется изображение, полученное в растровом микроскопе детекторами BSD и SE. При работе микроскопа в режиме микроанализа для связи между спектрометром (анализатором) и микроскопом родсоединяется программа Start SEM ^ RemCon32.

В системе анализатора имеются три базовых навигатора:

Анализатор - качественный и количественный анализ химического состава;

Point & ID - автоматизация управления электронным зондом, выбор систем точек или областей, и анализ состава с привязкой к изображению;

Картирование - качественный анализ пространственного распределения элементов.

Платформа INCA Energy базирована на основе Навигатора, который позволяет прокладывать последовательные действия микроанализа наиболее ускоренным и логичным путем. Каждый шаг Навигатора предоставляет отдельный экран, содержащий все необходимые инструменты анализа.

Чаще всего для микроанализа в системе INCA Energy используется базовый навигатор Point & ID. В этом режиме вкладка Навигатора «Участок анализа» позволяет на изображении объекта обозначить области анализа. Для получения рентгеновского спектра на анализируемом изображении применяются функции - точка, линия, площадь, матрица. Расположение рентгеновского спектра по энергии элементов, входящих в состав вещества, осуществляется при активизации вкладки Навигатора «Набор спектра».

Во вкладке Навигатора «Количественный анализ» производится химический поэлементный анализ выделенных микрообъемов материала с использованием энергетического рентгеновского характеристического спектра.

Вкладка Навигатора «Отчет» дает возможность показать результаты количественного микрорентгеноспектрального анализа в весовых или атомных процентах в виде отчета, структуру которого при необходимости можно менять.

Вкладка «Smart Map» («Карта элементов») дает возможность накапливать спектры по каждому присутствующему элемента в сплаве и показывать их распределение по сечению выбранной области анализа. Программа дает возможность присвоить каждому элементу определенный цвет. Вкладке «Карты элементов» дает возможность получать несколько цветовых микрокартин с областями (фазами) структуры, соответствующие одному элементу. Во вкладка Phase Map (Фазовая карта) можно накапливать спектры элементов по сечению фаз, и представлять в цветовой гамме фазы обогащенные тем или иным элементом. Фазовые карты дают возможность обрабатывать результаты в виде гистограмм и оценивать, например, доли различных фаз.

2.8 Методы определения величины зерна

Зерна металлов - это отдельные кристаллы поликристаллического конгломерата, разделенные между собой смежными поверхностями, называемыми границами зерен. Зерна могут быть равноосными и неравноосными. При наличии двойников зернами считают кристаллы вместе с двойниками.

Величина зерна - средняя величина случайных сечений зерен в плоскости металлографического шлифа - определяется методами:

-    визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, приведенных в обязательном приложении 2, с определением номера зерна;

-    подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, с определением среднего диаметра и средней площади зерна;

-    подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых с

определением среднего условного диаметра в случае равноосных зерен,

3

количества зерен в 1 мм в случае неравноосных зерен;

-    измерения длин хорд под микроскопом или с использованием микрофотографий с определением относительной доли зерен определенного размера;

-    ультразвуковым.

Указанные методы применяют для оценки величины зерна, имеющего форму, близкую к равноосной.

Метод подсчета пересечений границ зерен применяется для оценки величины зерна удлиненной формы.

В случае определения величины зерна в разнозернистой структуре средние размеры (диаметр, площадь зерна) не являются характеристиками оценки структуры.

Метод определения величины зерна сравнением с эталонными шкалами

Величину зерна методом сравнения определяют при увеличении 100 . Допускается применение увеличения 90-105 .

После просмотра всей площади шлифа выбирают несколько типичных мест и сравнивают с эталонами. Сравнение можно проводить, наблюдая изображение в окуляре микроскопа, на матовом стекле или фотоснимке.

Шкалы    1-3    представлены десятью эталонами в виде

схематизированной сетки, ограничивающей размеры зерен. Эталоны приведены в виде круга диаметром 79,8 мм, что соответствует площади 5000

мм2 или натуральной площади на шлифе 0,5 мм 2.

Эталоны составлены так, что при увеличении 100 номера зерен G соответствуют числовым показателям величины зерна по уравнению

т = 8 х 2 G , где т - количество зерен на 1 мм2 площади шлифа.

Средние численные значения площади зерна, числа зерен в 1 мм-',

1 2

диаметра и условного диаметра, а также числа зерен на площади в 1 мм соответствующие эталонам шкалы G (-3) - 14, приведены в таблице 15.

Таблица 15 - Средние численные значения площади зерна, числа зерен^в 1 мм , диаметра и условного диаметра, а также числа зерен на площади в 1 мм ._

Номер

зерна

G

Средняя

площадь

сечения

зерна, а,

мм

Число зерен на площади 1 мм2 m

Среднее число зерен в 1

мм Nv

Средни

й

диаметр

зерна

dm, ММ

Средний условный диаметр зерна dL, мм

минимальное

среднее

максимальное

-3

1

0,75

1

1,5

1

1,0

0,875

-2

0,5

1,5

2

3

2,8

0,707

0,650

-1

0,25

3

4

6

8

0,5

0,444

0

0,125

6

8

12

22,6

0,353

0,313

1

0,0625

12

16

24

64

0,250

0,222

2

0,0312

24

32

48

181

0,177

0,157

3

0,0156

48

64

96

512

0,125

0,111

4

0,00781

96

128

192

1448

0,088

0,0783

5

0,00390

192

256

384

4096

0,062

0,0553

6

0,00195

384

512

768

11585

0,044

0,0391

7

0,00098

768

1024

1536

32768

0,031

0,0267

8

0,00049

1536

2048

3072

92682

0,022

0,0196

9

0,000244

3072

4096

6144

262144

0,015

0,0138

10

0,000122

6144

8192

12288

741485

0,011

0,0099

11

0,000061

12288

16384

24576

2097152

0,0079

0,0069

12

0,000030

24576

32768

49152

5931008

0,0056

0,0049

13

0,000015

49152

65536

98304

16777216

0,0039

0,0032

14

0,000008

98304

131072

96608

47449064

0,0027

0,0027

Если размер зерна в образце выходит за пределы эталонов шкал с номерами 1-10, пользуются другими увеличениями. Для перевода номера

х

эталона при увеличении 100 пользуются табл. 16.

х


Таблица 16 - Перевод номера эталона при увеличении 100

Увеличение

Томера зерен при 100х

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

25х

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

50х

-

-

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

200х

-

-

-

-

-

-

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-

-

400х

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

800х

1

2

3

4

5

6

7

8


Метод подсчета зерен

Метод заключается в определении количества зерен на единице

поверхности шлифа (1 мм") и расчете средней площади зерна и среднего диаметра зерен.

Подсчет зерен проводят на матовом стекле камеры микроскопа или на микрофотографиях, в которых поле зрения ограничивают одной из плоских фигур: окружностью диаметром 79,8 мм или квадратом со стороной 70,7 мм, или прямоугольником с размерами сторон 65x77, 60x83, 55x91 или 50x100 мм,

что соответствует 0,5 мм" поверхности шлифа при увеличении 100 \ Подсчитывают число зерен, попавших внутрь выбранной фигуры (    ),

и число зерен, пересеченных ее границами (^2 ).

Общее количество зерен (”100) на площади 0,5 мм" шлифа при увеличении 100 подсчитывают по формуле:

«2

- для круга;


= Пл +


«100 -«1


П')    .

«100 = «1 + у 1


для прямоугольника или квадрата.


Количество зерен т, приходящихся на 1 мм" площади шлифа, т = 2«100


определяют по формуле

При использовании другого увеличения, отличающегося от 100 ,

2


число зерен т, приходящихся на 1 мм" поверхности шлифа, определяют по формуле:



где - общее количество зерен, находящихся внутри фигуры, ограничивающей поле зрения на шлифе или фотографии при увеличении - .

Увеличение подбирают из расчета, чтобы на поверхности было не менее 50 зерен.

Подсчет зерен проводят не менее чем в трех характерных местах шлифа и по полученным результатам рассчитывают среднее арифметическое значение.

2

Среднюю площадь сечения зерна (а) в мм" определяют по формуле:

1

а = — т

'dr


Средний диаметр зерна ( т) в мм определяют по формуле:

1


dm =

т


Сравнением полученных значений т, а и    значениями

соответствующих параметров в табл.14 определяют номер величины зерна G.

Допускаемые расхождения результатов трех определений при подсчете количества зерен не должны превышать 50%.

Определение величины зерна методом подсчета зерен (цветные металлы) [17]

Для определения величины зерна поверхность шлифа просматривают и выбирают не менее трех типичных мест, а при определении статистических

I™    с'    п

х ж    Лппт ? Л max 5    - не менее 15 типичных мест и производят

соответствующее число измерений.

Для определения величины зерна применяют контрольную площадь подсчета.

Определение величины зерна производят при таком увеличении, чтобы внутри контрольной площади находилось целиком 30-100 зерен.

На изображение измеряемого места, наблюдаемого на матовом стекле микроскопа, на микрофотографии или непосредственно в окуляре микроскопа (если окуляр снабжен изображением контуров контрольной площади подсчета) наносят контуры контрольной площади подсчета.

В качестве контрольной площади подсчета используют следующие фигуры при 100-кратном (линейном) увеличении, ограничивающие на шлифе

площадь 0,5 мм":

круг диаметром 79,8±0,4 мм;

квадрат или прямоугольники размерами 70,7x70,7; 65x77; 60x83,3; 55x91; 50x100 мм с предельными отклонениями ±0,4 мм.

Указанные размеры берут по внутренним контурам фигур.

При увеличениях, отличных от 100-кратного, допускается применять площади подсчета других размеров в виде круга или прямоугольников с соотношением сторон от 1:2 до 2:1.

Величину зерна определяют подсчетом числа зерен ^, целиком находящихся внутри контрольной площади подсчета, и п2, рассекаемых внутренним контуром контрольной площади подсчета, исключая зерна, находящиеся на углах контрольной площади подсчета в виде квадрата или прямоугольника.

Разница при подсчете количества зерен на одном шлифе не должна составлять более 50%.

За результат испытания принимают одну или несколько величин:

а)    среднее число зерен т, приходящееся на 1 мм2 площади шлифа;

б)    среднюю площадь сечения зерна а, мм2;

1(0?    d

„    „    , , ,    ,    ““И тях

2

соответственно, мм ;

г) среднеквадратическое отклонение единичных измерений площади

о

сечения зерна а, мм.

Расчет производят по формулам:

а)    при контрольной площади подсчета в виде круга

т = — («1 + Z«2)

где

При контрольной площади подсчета в виде круга диаметром 79,8 мм величина коэффициента а в зависимости от числа зерен приведена в таблице 17.

Таблица 17 - Величина коэффициента а в зависимости от числа зерен

Число зерен внутри контрольной площади

подсчета

а

30

0,455

40

0,460

50

0,465

100

0,475

б) при контрольной площади подсчета в виде квадрата или прямоугольника

в) при контрольной площади подсчета любых фигур:

При соблюдении условий и 100-кратном увеличении:

При соблюдении условий, но при увеличении, отличном от 100 -

кратного

Величина коэффициента


/


\2

g

100,


для наиболее применительных увеличений


приведена в таблице 18.

Таблица 18 -Величина коэффициента для наиболее применительных

увеличений

Увеличение (линейное)

/

10

0,02

25

0,125

50

0,500

75

1,125

100

2,00

150

4,50

200

8,00

250

12,5

300

18,0

500

50,0

750

112,5

1000

200,0

В качестве справочной величины, характеризующей размер зерна при определении его методом подсчета зерен, может быть вычислен средний диаметр зерна ^ по формуле.

d„ =-J=

т    I

Vт

71