Исследование отжига биметаллической ленты латунь - алюминий в протяжной печи

Использование биметаллической ленты латунь Л90 – алюминий (магналий) АМг2 – Л90 взамен латунной при изготовлении теплообменников (например, автомобильных радиаторов) позволяет решить ряд задач: снижает массу изделия и объем потребления более тяжелой и дорогой латуни за счет алюминиевой основы из сплава АМг2 при сохранении основных потребительских качеств (высоких теплопроводности и коррозионной стойкости, необходимых механической прочности и пластичности). В работе [1] приведены результаты исследования рекристаллизационного отжига биметаллической композиции, цель которого снять наклеп и обеспечить необходимую прочность сцепления слоев без заметного охрупчивания при образовании диффузионной интерметаллидной межслойной зоны.

Термическая обработка является наиболее продолжительной и ответственной операцией в технологии производства биметалла. Латунь и алюминиевый сплав имеют существенные различия в температурах рекристаллизации, что затрудняет правильный выбор температурно-временного режима процесса.

Работы, проведенные на кафедрах машин и технологий обработки материалов давлением и физического металловедения ЮУрГУ [1], показали возможность выполнения поставленных задач с помощью отжига в колпаковых печах при температуре 380 °С и продолжительности не менее 1 ч.

Однако в промышленных условиях для ускорения процесса термообработки целесообразнее применять протяжные печи, которые позволяют использовать более высокотемпературные и кратковременные нагревы.

Как правило, температуру отжига в протяжных печах назначают на 150–200 °С выше по сравнению с температурой отжига в колпаковых печах [2, 3]. Поэтому в настоящем исследовании отжиг биметаллической композиции проводился при температурах 500 и 550 °С.

В настоящей работе приводятся результаты исследования отжига биметаллической ленты латунь Л90 – магналий АМг2 – латунь Л90 в опытной протяжной печи. Схема устройства печи и распределение температуры в рабочем пространстве печи представлены на рис. 1.

При выполнении термообработки существующая система управления обеспечивала постоянство скорости перемещения контейнера с образцом вдоль рабочего пространства печи ( υ отж ), которая определялась как отношение длины участка ( l _р) печи с постоянной температурой и назначаемым временем выдержки (τ_в ) при данной температуре υ _отж = lр/τ _в.

Время выдержки варьировалось в диапазоне 80–360 с. При этом скорость перемещения образца в зоне с постоянной температурой изменялась от 0,1 до 1,25 м/мин, что, практически, сопоставимо со скоростью термообработки в протяжных промышленных печах.

Результаты отжига в протяжной печи образцов биметалла размерами 0,75 х 25 мм выявили следующее. На поверхности биметалла, отожжен-

Рис. 1. Схема устройства печи и распределение температуры вдоль рабочего пространства: 1 – разматыватель;

2 – контейнер с образцом; 3 – металлическая труба d = 60 мм; 4 – электронагревательный элемент;

5 – теплоизоляция; 6 – нихромовая нить; 7 – моталка; 8 – пульт управления

Рис. 2. Пузыри на поверхности

Рис. 3. Строение поверхности биметалла после отделения плакирующей латуни

ного при температуре в зоне выдержки 550 °С в течение более 180 с обнаруживаются дефекты – вспучивания (пузыри) диаметром до 1–2 см (рис. 2). Плакирующий слой достаточно легко отделяется вручную полностью, при этом на освободившейся поверхности пакета отчетливо проявляются более светлые блестящие участки по форме и размерам, совпадающие с пузырями. Остальная площадь (долома) более темная (рис. 3).

При сканировании на электронном микроскопе (фирмы JEOL JSM – 6460 LV) также отчетливо отмечаются поверхности с разной освещенностью, которая, как известно, определяется химическим составом: во вторичных электронах тяжелые и легкие элементы дают соответственно светлый и темный фоны (рис. 4, а).

Светлые участки с ярко выраженной полосчатостью (ширина полос 36–86 мкм) характеризуют хрупкое разрушение (рис. 4, б). Рентгеновские спектры (получены с помощью приставки – энергодисперсионного анализатора фирмы Oxford Instruments), снятые с разных участков этой поверхности (на рис. 4, в–д они помечены светлыми квадратами), свидетельствуют об их существенном обогащении тяжелыми металлами: медью и цинком (табл. 1; спектры 1, 2, 3). Толщина этого ин-терметаллидного слоя составляет ~ 72–73 мкм.

Темное поле (рис. 5, 6) является по существу магналием, весьма заметно и здесь присутствие Сu и Zn до 5 и 2,5 % соответственно. На темном фоне встречаются светлые полосы соединения меди с алюминием и цинком (рис. 5, б, в; спектр 11 табл. 1).

С внутренней стороны отделенной плакирующей латунной пластины строение поверхности в целом отражает картину, характерную для магналия: пятно с равноосными зернами, соответствующее пузырю, и пластинчатая область.

Химический состав этих областей близок к тем, что были на алюминиевом сплаве с той разницей, что на границе с Л90, естественно, концентрация меди и цинка выше (спектры 6, 7 по сравнению со спектрами 1–3 табл. 1). В латуни, а вернее, в интерметаллиде, отслоившемся вместе с нею, наблюдаются микротрещины (рис. 7, в, г).

Образование пузырей наблюдалось также при этой температуре отжига (550 °С) и при уменьшении длительности процесса в зоне выдержки до 180 с. Строение поверхности разрушения аналогично выше рассмотренному. Согласно электронномикроскопическим исследованиям концентрация элементов в диффузионной зоне уменьшалась как со стороны магналия, так и вблизи латуни Л90.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 4. Структура (сканирующий микроскоп) поверхности разрушения биметалла после отделения плакирующего слоя. Температура в зоне выдержки 550 °С, время выдержки 360 с . Общий вид (а), светлые участки (б–д)

а)

б)

в)

а)

Рис. 5. Темные поля в биметалле после отделения плакирующего слоя: а – на границе с хрупким разрушением; б, в – внутри этих полей

б)

20kU X5,000 5мт      11 55 SEI

Рис. 6. Образование на поверхности магналия крупных фрагментов, ограниченных светлыми границами, обогащенными медью. Температура в зоне выдержки 550 °С, время выдержки 360 с

в)

Таблица 1

Химический состав отдельных участков поверхности разрушения биметалла (рис. 4, в–д; 6, б; 7, д) после отжига, мас. %. Температура в зоне выдержки 550 °С, время выдержки 360 с

Спектр	Mg	Al	Si	Cu	Zn
1		28,1		67,97	3,93
2		12,99		48,41	2,36
3	0,72	49,56		49,72
4	0,89	91,57		5,03	2,51
5	0,76	33,25	0,67	50,45	2,91
6	5,22	20,85		71,56	2,36
7	0,48	24,32		70,78	4,01

а)

б)

в)

г)

д)

Рис. 7. Строение внутренней поверхности латунной пластины: а – место отделения плакирующей латуни (светлое поле справа) от темного магналия; б – общий вид внутренней поверхности латуни; в, г – поле пузыря; д – полосчатая структур

Т а ким обра з ом , обра з ов а ние п уз ыре й на пов ерх н ост и б им ет а лл и ческого па ке та пос л е отжигов при 550 °С с охлаждени е м на в оз д у х е прох од ил о пу т ем х р у п кого отрыв а п л а с т ины п л а к ир ующей л ат у н и по ча с т и д ифф узион ного с л оя, прим ы кающ е го к не й. С л ед ует отм е ти ть, что пов е рхнос тные де ф е кты форм ир уются при в ыс окоте м пе ра т у рном отжиге и на других комп ози ц и ях М 1 –Л90, М1–М1, АМг2–А5 п ри прочих ра вны х усл ов и ях .

Снижение температуры отжига на 50 °С позволяет избежать образования вздутий на поверхности пакета. При этом толщина переходной зоны после отжига при 500 °С в разных участках уменьшается до 15–38 мкм (рис. 8, а, б). Отчетливо проявляется 4-слойное ее строение: при переходе от светлой латуни (рис. 8, в; точки 1, 2) к темному, почти черному магналию (рис. 8, в; точки 7, 8) наблюдаются полосы с разной (увеличивающейся) степенью потемнения (рис. 8, в; точки 3–6). В табл. 2 приведен химический состав материала в этих точках.

Согласно данным микрорентгеноспектрального анализа, медь проникает в АМг2 на глубину до 60 мкм. В подслое, прилегающем к латуни, видна

а)

б)

в)

Рис. 8. Глубина (а, б) и строение переходного диффузионного слоя в биметалле (в) после отжига при температуре в зоне выдержки 500 °С, время выдержки 360 с

Таблица 2

Химический состав биметалла в разных точках после отжига, мас. %.

Температура в зоне выдержки 500 °С, время выдержки 360 с

Спектр Mg Al Mn Cu Zn 1 89,35 10,65 2 89,45 10,55 3 20,59 74,75 4,66 4 0,82 30,04 65,12 4,03 5 5,06 39,32 54,38 1,24 6 53,34 0,40 46,26 7 1,39 95,54 2,42 1,84 8 1,72 95,51 1,44 1,33 его фрагментация (темные границы) с образованием участков размером ~ 5–15 мкм. В состав этих границ входит Al – 20,3 %; Si – 3,3 %; Cu – 69,8 %; Zn – 4,32 % (рис. 9). Не исключено, что указанная выше полосчатость на поверхности разрушения (в пузырях) после отжига при более высокой температуре (550 °С) обусловлена фрагментацией подслоя, по которому происходил отрыв плакирующей латуни.

Х им и ческие с ос тав ы у ча стков пов е рхнос ти разрушения после отжига при 550 °С (спектры 1, 2 , 3 та бл . 1) и д ифф узион н ого под сл оя о кол о п ла сти н ы из Л90 (с пе к тр 3 таб л . 2) посл е от ж и га при 500 °С заметно отлича ю тся в с торон у бо л е е в ыс о кого с од ерж а ни я а л юмин и я при б ол ее в ыс о кой температуре процесса (550 °С).

О це н ка вл и ян ия от ж и га на прочнос ть с цепл е ни я ал юмин и я А Мг2 и л а т у н и Л90 в ы полне на по ме тоди ке , и з л о ж ен н ой в ра бот е [5]. При з а гибани и образцов на 90° с пос л е д ующим ра з ги бом прои с х о д и т рас с л ое н ие обра з ца с в н у тре н не й стороны. С рав н е н ие м д лин от с л ои в ши х с я у ча с т ков м ожно получ ить каче ств енн у ю картин у прочнос ти с цеп л ен ия в бим е тал л е д о и пос ле отж ига .

С ред н яя в е ли чи на рас с л оя о бра з цов до от ж и га составляла 2,6 м м. Пос л е от ж ига в пе чи с те м пе р атурой в зоне выдержки 500 ° С сос та ви л а 4, 22 м м . П риче м , с рос том дл и те л ь нос ти отжига от 80 до 360 с эта в е л ичи на пра кт иче с к и не из м е н яе тс я. С тои т отм ет ить, ч то п ри от ж и ге в колп ак о вой п е чи с дл и те л ь нос тью в ыде р ж к и до 48 ч средняя вели ч и на ра сс л оя с ос та ви л а 4, 24 м м [1 ].

На процессы схватывания металлических поверхностей в ходе изготовления биметалла оказы- вает влияние множество факторов: от природы материала и деформации (вида, ее степени, скорости) до режима процесса отжига (скорость и температура нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения) [4]. В данной работе можно считать переменными факторы, связанные с термической обработкой; все остальное в проведенном эксперименте не претерпевало изменений.

Повышение температуры рекристаллизационного отжига до 550 °С сопровождается наибольшим увеличением уровня термических напряжений, возникающих в связи с неодинаковой скоростью нагрева и особенно последующего охлаждения поверхностных и внутреннего слоев биметалла, а также благодаря разнице в коэффициентах термического расширения составляющих биметалла (табл. 3). Причем, охлаждение инициирует в поверхностных слоях сначала напряжения растяжения, в присутствии образовавшихся во время выдержки хрупких интерметаллидов в диффузионной зоне на стыке магналия и латуни, в результате чего латунь отслаивается; а затем напряжения сжатия, вызывающие образование дефекта в виде вздутия на поверхности биметалла.

Как следует из данных эксперимента, избежать возникновения пузырей на поверхности плакированного пакета в протяжной печи можно, используя отжиг при температурах не выше 500 °С и продолжительностью от 80 до 360 с. Это достигается уменьшением почти вдвое толщины диффузионного слоя, изменением его химического состава, а также снижением уровня термических растягивающих напряжений в плакирующем слое, возникающих в процессе охлаждения. Как видно

Рис. 9. Фрагментация подслоя, прилегающего к латунной пластине. Отжиг при температуре в зоне выдержки 500 °С, время выдержки 360 с

Таблица 3

Коэффициенты линейного термического расширения (10–6 К–1) [4]

Материал	Температурный интервал, °С, от 20 до температуры
	100	200	300	400	500	600
Медь	17,4	17,4	–	18,1	18,9	–
Алюминий	23,7	24,5	25,4	26,2	27,1	27,9

Рис. 10. Влияние длительности отжига при 500 °С на механические свойства биметалла

из диаграммы (рис. 10), уже при выдержке 160 с механические свойства биметалла близки к отожженному состоянию, а при выдержке 260 с происходит полная рекристаллизация составляющих. При этом твердости магналия и латуни составляют 70–75 и 100–110 HV соответственно, т. е. на уровне, достигаемом ~ за 15–20 ч отжига при 380 °С в колпаковой печи [1]. При выдержке образцов 360 с пластические свойства незначительно падают. Это объясняется ростом зерна алюминия и образованием локальных эвтектик.

Выводы

• 1.    На поверхности биметалла, отожженного при температуре в зоне выдержки 550 °С в течение более 180 с обнаруживаются дефекты – вспучивания (пузыри) диаметром до 1–2 см. При этом плакирующий слой достаточно легко отделяется вручную. На освободившейся поверхности пакета отчетливо проявляются более светлые блестящие участки по форме и размерам, совпадающие с пузырями.

• 2.    Образование пузырей на поверхности биметаллического пакета после отжигов при 550 °С с охлаждением на воздухе проходит путем хрупкого отрыва пластины плакирующей латуни по части диффузионного слоя, примыкающего к ней;

• 3.    Снижение температуры отжига до 500 °С позволяет избежать образования вздутий на поверхности пакета. При этом толщина переходной зоны после отжига в разных участках уменьшается с 72–73 до 15–38 мкм;

• 4.    Отжиг в протяжной печи с температурой в зоне выдержки 500 °С снижает прочность сцепления составляющих биметаллической ленты латунь – магналий – латунь в 1,5–2 раза. При этом с ростом длительности отжига от 80 до 360 с эта величина практически не изменяется;

• 5.    Отжиг биметаллической ленты Л90–АМг2– Л90 в протяжной печи после плакирования (сварки) необходимо проводить при температуре в зоне выдержки 500 °С и времени выдержки 160–260 с.