Влияние вариаций химического состава латуней типа ЛС59-1 на характер их расчетных равновесных фазовых диаграмм

Свинцовая латунь ЛС59-1 широко используется при изготовлении изделий в промышленности, в частности, для водозапорной арматуры. По структуре она может быть однофазной α- или двухфазной (α+β)-латунью в зависимости от химического состава в пределах ГОСТ 15527–2004 [1], а также от скорости охлаждения при кристаллизации и после горячей деформации в процессе изготовления деталей. Известно, что в двойной системе Сu–Zn равновесие со стороны медного угла в реальных условиях, особенно при достаточно низких температурах, достигается крайне трудно [2, 3]. В настоящее время концентрация цинка 38–39 % в двойной системе условно признана граничной. Кроме того, неизбежные дополнительные элементы (Fe, Si, Al, Sn

и др.), присутствующие в промышленных латунях, смещают линию сольвуса α-раствора в сторону меньших концентраций по цинку [4].

Исследования, выполненные на готовых изделиях из латуни ЛС59-1, химический состав которой варьировался в пределах ГОСТ 15527–2004, показали, что в некоторых из них еще до эксплуатации присутствуют микротрещины разных размеров в участках, наиболее уязвимых с точки зрения трещинообразо-вания: местах нанесения резьбы и резкого перехода от одного сечения к другому [5]. Было также установлено, что примеси Fe, Si, Sn в материале готовых кранов преимущественно растворялись в β-фазе, одновременно изменялись качественный и количественный фазовый состав сплавов и, соответственно, их твердость, а также места расположения вклю-

Таблица 1

чений свинца и неметаллических частиц. Последние нередко инициировали образование микротрещин [5, 6].

Учитывая перечисленные выше факторы, особый интерес представляет информация о температурах солидуса, фазах, их количестве и составе для конкретных композиций элементов в исследуемой латуни, особенно при температуре горячей штамповки, являющейся последней важной операцией не только с точки зрения формоизменения, но и создания структуры и, следовательно, свойств готового изделия. С этой целью в настоящей работе выполнены расчеты фазовых диаграмм в области достаточно высоких температур, когда еще реализуются условия, близкие к равновесным.

Материал и методика исследования

Расчет фазовых диаграмм осуществлялся для пяти вариантов состава свинцовой латуни типа ЛС59-1 (табл. 1), изучаемых в предыдущих работах [5, 6]

Термодинамическое фазовое равновесие в сплавах Cu–Zn, составляющих основу свинцовой латуни ЛС59-1, определялось с помощью базы данных FTLite и пакета термохимического программного обеспечения FactSage 8.0 (и более поздних версий), позволяющих вычислять условия для многофазного, многокомпонентного равновесия [7, 8].

Для каждого из 5 сплавов табл. 1 была построена диаграмма состояния на общую массу одного материала 100 г.

Результаты исследования

На рис. 1–5 приведены полученные расчетные равновесные диаграммы сплавов в координатах: масса, г (вертикальная ось) – температура, °С (горизонтальная ось), которые позволяют считать основными фазами в равновесном состоянии изученных сплавов β-фазу с решеткой ОЦК (BCC), α-фазу с ГЦК кристаллической структурой (FCC) и неметаллические включения. При этом отчетливо видно, что при понижении температуры весовые количества α- и β-составляющих меняются неодинаково: масса первой возрастает, а второй – уменьшается (рис. 1).

На этих диаграммах отмечены перпендикулярами температуры ликвидуса и горячей штамповки (730 °С), которая используется в промышленности при изготовлении корпуса крана. С изменением химического состава сплава равновесная температура конца кристаллизации понижается с 840 до 810 °С (рис. 1–5, табл. 2). Существенно изменяется и структура латуни при температуре горячей деформации: от практически однофазной β (сплавы № 2–4) до двухфазной α+β (сплавы № 1, 5). Согласно [9–11], неупорядоченная высокотемпературная β-фаза легче деформируется, а ее больше в сплаве № 5 (см. табл. 2).

Обращает на себя внимание и присутствие небольших количеств жидкой фазы от 1,35 (сплав № 5) до 2,57 г (сплав № 4), обусловленное наличием в составе последнего сплава наиболее заметного количества легкоплавкого

Химический состав исследованных сплавов, % масс.

Table 1

Element composition (% by weight) of alloys

Элемент	№ сплава
	1	2	3	4	5
Cu-основа	62,52	59,94	59,96	60,48	61,19
Zn	35,03	37,33	37,32	34,55	35,51
Pb	2,01	2,04	1,97	2,86	1,77
Fe	0,10	0,20	0,28	0,45	0,47
Sn	0,10	0,29	0,33	0,61	0,52
Ni	0,06	0,14	0,08	0,32	0,39
Al	0,06	004	0,01	0,40	0,06
Bi	0,004	0,008	0,048	0,003	0,003
Si	0,003	–	0,003	0,17	0,042
Sb	0,009	0,011	0,010	0,035	0,019
P	0,005	0,003	0,004	0,010	0,007
Mn	0,002	0,003	0,004	0,083	0,033
As	0,1	0,005	0,007	0,006	0,007

Рис. 1. Расчетная фазовая диаграмма сплава № 1

Fig. 1. Calculated phase diagram of alloy no. 1

Рис. 2. Расчетная фазовая диаграмма сплава № 2

Fig. 2. Calculated phase diagram of alloy no. 2

Рис. 3. Расчетная фазовая диаграмма сплава № 3

Fig. 3. Calculated phase diagram of alloy no. 3

Рис. 4. Расчетная фазовая диаграмма сплава № 4

Fig. 4. Calculated phase diagram of alloy no. 4

Рис. 5. Расчетная фазовая диаграмма сплава № 5

Fig. 5. Calculated phase diagram of alloy no. 5

Таблица 2

Температура солидуса и фазовый состав исследуемых сплавов при температуре 730 °С по результатам расчетных диаграмм

Solidus temperature and phase composition of the studied alloys at a temperature of 730 °С according to the results of calculation diagrams

Table 2

№ сплава	Жидкая фаза, г / Pb, находящийся в жидкости, г	ОЦК-фаза β-фаза (ВСС), г	ГЦК-фаза α-фаза (FCC), г	Температура конца кристаллизации, °С
1	1,521/1,501	44,086	54,214	824
2	1,670/1,647	98,302	–	842
3	1,607/1,586	98,446	–	840
4	2,570/2,540	97,316	–	810
5	1,347/1,324	69,966	28,400	812

Таблица 3

Состав и количество (г) интерметаллидов в исследуемых сплавах при температуре 730 °С по результатам расчетных диаграмм

Composition and amount (g) of intermetallic compounds in the investigated alloys at a temperature of 730 °С according to the results of calculation diagrams

Table 3

№ сплава Масса интер-металлидов, г Основные интерметаллиды FeSi Fe3Si Cu3Si MnSi FeAl MnAl 1 9,491 · 10–2 9,491 · 10–2 – – – 5,969 · 10–6 – 2 – – – – – – – 3 6,18 · 10–3 6,17· 10–3 – – – 3,13 · 10–6 – 4 0,490 0,484 – – 0,0052 – 6,13 · 10–6 5 0,183 0,043 0,178 4,04· 10–3 – 1,46· 10–5 – свинца и жидких растворов на его основе (см. табл. 1, 2). Это, естественно, отрицательно сказывается на склонности данного сплава к трещиностойкости при деформировании и последующей механической обработке.

Сплав № 4 характеризуется и наибольшим количеством неметаллических включений типа FeSi, MnSi, MnAl (табл. 3), в формировании которых участвуют элементы примесей (Fe, Si, Mn, Al), которых больше именно в этой вариации свинцовой латуни (см. табл. 1) [6]. Интерметаллиды относятся к более тугоплавким и более хрупким образованиям в сплавах [12, 13]. Согласно проведенным расчетам, они появляются при температурах ~ 828–856 °С, что существенно выше температуры штамповки корпуса крана, и могут служить центрами образования микротрещин при горячем деформировании латуни.

Заключение

Полученные расчетные равновесные фазовые диаграммы расширяют возможности оценки влияния вариаций химического состава свинцовой латуни типа ЛС59-1 на структу-

ру и свойства материала в готовых промышленных изделиях. В равновесном состоянии при увеличении содержания свинца и примесей в составе латуни заметно (~ на 30 °С) понижается температура конца кристаллизации сплава. Ускоренная кристаллизация в промышленных условиях может сопровождаться более существенным снижением температуры солидуса. В связи с этим проблемы выбора температуры горячей деформации и соблюдения температурного режима ковки требуют особого внимания. Согласно равновесным диаграммам в структуре изученных латуней при нагреве их до 730 °С кроме β- или (α+β)-фаз присутствуют жидкий раствор на основе легкоплавкого свинца, а также частицы хрупких неметаллических включений, сформировавшихся ранее при кристаллизации, способных инициировать образование многочисленных пор и микротрещин при горячем деформировании. По результатам [6, 14], в сплаве № 4 с наиболее высоким содержанием Pb, Si, Al зафиксировано заметное количество трещин в поверхностных и приповерхностных объемах.