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.