Влияние режимов термической обработки на структуру бронзы БрНХК
Автор: Карева Надежда Титовна, Корягин Юрий Дмитриевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Рубрика: Металловедение и термическая обработка
Статья в выпуске: 4 т.15, 2015 года.
Бесплатный доступ
Никель-хром-кремнистая бронза БрНХК, используемая для изготовления контактов, относится к числу умеренно дисперсионно-твердеющих и упрочняется холодной пластической деформацией закаленного сплава с последующим старением. Однако изделия, изготовляемые из бронзы БрНХК, часто не обладают достаточной стабильностью усилия размыкания контактов в процессе эксплуатации. В работе приведены результаты исследования структуры бронзы БрНХК в закаленном и деформированном состояниях, а также после различных режимов старения. Установлено, что уже после закалки в твердом растворе наблюдаются частицы различной формы и размеров на основе хрома с кремнием и отличающиеся содержанием меди и никеля. Старение при 500 °C способствует увеличению размеров выделившихся крупных частиц и обогащению мелких частиц никелем. Показано, что двухступенчатое старение повышает сопротивление релаксации напряжений бронзы БрНХК как в деформированном, так и недеформированном состояниях по сравнению с одинарным старением вследствие изменения химического состава, природы и дисперсности выделившихся фаз.
Сплав, кремнистая бронза брнхк, структура, старение, выделения
Короткий адрес: https://sciup.org/147156982
IDR: 147156982 | DOI: 10.14529/met150411
Текст научной статьи Влияние режимов термической обработки на структуру бронзы БрНХК
Для изготовления электрических контактов (особенно разъемных) ответственных изделий часто используется бронза БрНХК 2,5-0,7-0,6 системы Cu–Ni–Cr–Si. Данный сплав относится к умеренно дисперсионно твердеющим материалам, который дополнительно может упрочняться холодной пластической деформацией (ε = 60 %), осуществляемой между закалкой и старением. В работе [1] показано, что необходимый комплекс свойств (твердость, прочность, повышенную релаксационную стойкость при комнатной и повышенных температурах испытания) можно получить в деформированном сплаве, используя оптимальное старение (450 °С – 2 ч). Применение дробного старения (390 °С – 1 ч + 450 °С – 1 ч) взамен указанного выше позволяет при сохранении основных свойств дополнительно улучшить релаксационную стойкость.
В настоящей работе приводятся данные исследования микроструктурных особенностей бронзы БрНХК, термически обработанной по режимам, изученным в [1].
При сканировании на электронном микроскопе (фирмы JEOL JSM – 6460 LV) образцов до и после травления (в водном растворе аммиака 1 : 1) отчетливо отмечаются участки поверхности с разной освещенностью, которая, как известно, во вторичных электронах определяется их химическим составом: тяжелые и легкие элементы дают соответственно светлый и темный фоны.
Химический состав частиц и матрицы оценивался на основании рентгеновских спектров, полученных с помощью специальной приставки – энергодисперсионного анализатора фирмы Oxford Instruments. Место съемки спектра отмечено на фото белым перекрестием.
На светлом фоне закаленного от 930 °С твердого раствора видны темные частицы округлой и пластинчатой формы, размеры которых варьируются от 3,15 мкм до 800 нм и мельче (рис. 1, а, б, в).
Согласно микрорентгеноспектральному анализу, крупные округлые частицы представляют собой соединения хрома с кремнием состава Cr3Si, легированные небольшим количеством меди (табл. 1). Вытянутые пластинчатые выделения хрома содержат меньше, их состав ближе к Cr 2 Si, но они включают и медь, и никель, причем первой существенно больше. Данные табл. 1 свидетельствуют о существенном обеднении твердого раствора хромом уже после закалки. Согласно данным микрорентгеноспектрального анализа в средний состав исследуемой бронзы по большой площади входит Si – 0,90 %; Cr – 0,91 %; Fe – 0,02 %; Ni – 3,02 %; Cu – 95,15 %.
Дополнительное старение бронзы при 500 °С – 8 ч (режим перестаривания) способствует увеличению размеров наиболее крупных частиц (до 5,13 мкм) округлых и прямоугольных (рис. 1, г–е). При этом их химический состав не претерпевает существенных изменений (см. табл. 1). Mелкие частицы обогащаются никелем до ~ Si(Cr,Ni)3, а также медью (см.табл. 1).
Обращает на себя внимание тот факт, что после дробного старения 390 °С – 1 ч + 450 °С – 1 ч в микроструктуре бронзы чаще встречаются частицы с меньшей степенью почернения в результате большего содержания в них никеля до 11,8–12,43 % и уменьшения количества хрома (46,87–35,73 %).
После травления (рис. 2) в структуре закаленной бронзы также выявляются темные крупные выделения округлой (размером ~ 1,3 мкм), пластинчатой формы (4 х 0,6 мкм), в виде подковы

а)

г)

б)

д)

в)
Рис. 1. Микроструктура бронзы БрНХК до травления после закалки 930 °С 30 мин, вода (а, б, в) и дополнительного перестаривания 500 °С – 8 ч (г, д, е)

е)
Таблица 1
Химический состав (% вес.) частиц и твердого раствора БрНХК в закаленном состоянии и после перестаривания при 500 °С – 8 ч. Нетравленые шлифы
Si \ |
Cr \ |
Ni \ |
Cu |
|
Закалка от 930 °С |
||||
Крупная округлая частица |
17,56 |
77,02 |
5,42 |
|
Пластинчатая частица |
12,89 |
45,87 |
1,60 |
39,64 |
Твердый раствор |
0,80 |
0,10 |
3,10 |
96,00 |
За ка л ка от 930 °С + перестаривание 500 °С – 8 ч |
||||
Крупная округлая частица |
17,41 |
78,85 |
3,74 |
|
Пластинчатая частица |
16,4 |
59,28 |
1,34 |
23,22 |
Мелкая частица |
3,69 |
36,55 |
10,42 |
49,35 |
Твердый раствор |
0,87 |
0,32 |
3,55 |
95,26 |
Металловедение и термическая обработка

а)

б)

в)

г)
Рис. 2. Микроструктура протравленной закаленной бронзы БрНХК
Таблица 2
Химический состав (% вес.) частиц и твердого раствора БрНХК в закаленном состоянии и после перестаривания при 500 °С –8 ч. Травленые шлифы
1 |
Si 1 |
Cr 1 |
Ni 1 |
Cu |
Закалка от 930 °С, вода |
||||
Крупная округлая частица |
13,37 |
55,92 |
1,39 |
29,32 |
Пластинчатая частица |
6,70 |
17,34 |
1,98 |
73,98 |
Твердый раствор |
0,61 |
0,28 |
2,8 |
96,31 |
Закалка от 930 °С + перестаривание 500 °С – 8 ч |
||||
Крупная округлая частица |
14,86 |
77,53 |
0,65 |
6,98 |
Пластинчатая частица |
11,68 |
39,93 |
1,96 |
46,3 |
Мелкая частица |
2,72 5,46 |
7,48 17,40 |
2,5 0,878 |
87,23 76,27 |
Твердый раствор |
0,57 |
0,30 |
3,06 |
96,07 |
(диаметром ~ 2,6 мкм), химический состав которых приведен в табл. 2.
Мелкие частицы после старения (рис. 3, табл. 2) заметно отличаются от крупных по химическому составу в сторону меньшей концентрации особенно по кремнию (2,72–5,46 против 14,86–11,68 %) и хрому (7,48–17,40 против 77,53–39,93 %).
На рис. 4 приведена карта распределения элементов в состаренной бронзе вокруг крупного пластинчатого выделения. Это выделение содержит Si, Cr и очень незначительное количество Ni. На электронном изображении вокруг этой пластины видны более мелкие выделения округлой формы (см. рис. 4). На карте в этих местах также фиксируются в основном кремний и хром.

Рис. 3. Микроструктура закаленной и состаренной при 500 °С – 8 ч бронзы БрНХК после травления


Рис. 4. Карта распределения элементов около крупных выделений с электронного изображения 1
В целом после старения самые крупные частицы практически не изменили существенно своих размеров и химического состава. Появились новые мелкие темные частицы, которые заметно отличаются от крупных ранее образовавшихся частиц: хрома меньше в два раза и более, в них появляется никель. Матрица (α-твердый раствор) дополнительно обедняется особенно хромом, никель же почти остался на прежнем уровне.
Достоверных литературных данных по фазовому составу четверной системы Cu–Ni–Cr–Si при концентрациях, близкой к исследуемой бронзе БрНХК не имеется. В тройной системе Cu–Ni–Cr, согласно [2], при 930 °С (температура закалки) кроме α-раствора должна присутствовать фаза на основе Cr, причем она образуется уже из жидкого состояния. Вертикальные разрезы для сплавов, близких по составу к изучаемой БрНХК, указывают на переменную растворимость α-раст-вора, уменьшающуюся при понижении температуры за счет дополнительного выделения хромистой фазы.
Металловедение и термическая обработка
С другой стороны, горизонтальный разрез при 950 °С другой 3-компонентной системы Cu–Ni–Si свидетельствует о существовании однофазной структуры α-раствора [2]. При старении в интервале 450–500 °С возможно образование фаз: Ni3Si2 или Ni3Si.
В изученной бронзе состав фаз усложнен в связи с увеличением числа компонентов до 4 и наличием неравновесных промежуточных фаз, образующихся при старении.
Список литературы Влияние режимов термической обработки на структуру бронзы БрНХК
- Карева, Н.Т. Влияние различных режимов старения на свойства сплава БрНХК/Н.Т.Карева, Ю.Д. Корягин, Г.И. Медведева//Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. -1985. -№ 6. -С. 64-68.
- Villars P., Prince A., Okamoto H. Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams. -Ohio: ASM International, 1995.