СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКА ИЗ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩЕГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО СПЛАВА НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ИЗ НЕГО МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ
METHOD OF INGOT RECEIVING FROM PRECIPITATION HARDENING LOW ALLOY ON BASIS OF COPPER AND MANUFACTURING METHOD FROM IT OF METAL PRODUCTION

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности металлургии низколегированных сплавов на основе меди, и может быть использовано для производства металлопродукции из тепло- и электропроводных жаропрочных сплавов, в том числе электродов контактной сварки и микросварки, жаропрочных проводов, теплообменников, пресс-форм и штампов, огневых стенок камер сгорания реактивных двигателей, основ печатных плат, термостойких пружин и контактов и др.
Определение сплавов как низколегированные, указывает на ограничение суммарного количества легирующих элементов некоторым концентрационным пределом - 5% по массе. Кроме того, к указанным сплавам предъявляются требования повышенного сопротивления пластической деформации и разрушению при температурах эксплуатации выше температуры рекристаллизации основы (меди) и электро- и теплопроводности, которые должны быть при 20°С не ниже 20 MСм/м и 145 Вт/(м·град) соответственно. При этом сплавы сохраняют также специфические свойства нелегированной меди - высокую коррозионную стойкость, технологичность при горячей и холодной деформации, способность к сварке, пайке, гальванопокрытиям и т.д.
Известны сплавы на основе меди, содержащие легирующие добавки никеля, кремния, хрома, например, из патента РФ №2224039 (С22С 9/06, опубл. 20.02.2004).
Известен сплав меди с цинком и кремнием, его использование и производство по международной публикации WO 2006039951 (С22С 9/04, опубл. 12.06.2007).
Известен способ совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов по патенту РФ №2089334 (B22D 11/06, опубл. 10.09.1997), предназначенный для получения длинномерных катаных изделий из меди и ее сплавов.
Известен медный сплав по патенту КНР №1940104 (С22С 9/006, опубл. 04.04.2007) и способ получения, который включает отливку материала в литейную форму, скорость охлаждения которого 80°С/мин от температуры жидкого расплава до температуры 400°С, холодную прокатку в несколько приемов с промежуточными отжигами в интервале 300-600°С, закалку конечного продукта при температуре 450°С.
Известен способ получения дисперсионно твердеющего медного сплава и изделий, получаемых из него по заявке JP 2006097113 (C22F 1/08, С22С 9/00, опубл. 13.04.2006), включающий высокотемпературный нагрев и многостадийное старение для выделения мелкодисперсных составляющих при различных температурах, а также производство продукции из этого сплава.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности и стабильности состава сплава слитков, которые в первую очередь определяют его физические, механические и эксплуатационные свойства.
Указанный технический результат достигается тем, что при получении слитка из дисперсионно твердеющего низколегированного тепло- и электропроводного жаропрочного сплава на медной основе плавку ведут с перегревом медного расплава, с последовательным введением в него лигатур, литья слитков с последующим охлаждением расплава, а затем и слитка, в интервале температур от 1200-1300°С до 500°С со скоростью не менее 30°С/сек.
Как известно, для получения эффекта дисперсионного твердения необходимо зафиксировать при комнатной температуре пересыщенный твердый раствор, концентрация легирующих элементов в котором зависит от скорости охлаждения (закалки) от температуры предельно высокого нагрева. В данном случае закалку осуществляют из жидкого состояния (1200-1300°С - температура начала литья слитка). Расплав остается жидким от температуры начала литья слитка до его кристаллизации. Кристаллизация слитков рассматриваемой группы медных сплавов (переход из жидкого в твердое состояние) находится в интервале 900-1075°С. После кристаллизации слитка он продолжает охлаждаться в процессе его литья в водоохлаждаемом кристаллизаторе и непосредственно водой (вторичное охлаждение). Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о необходимости средней скорости температуры закалки сначала от температуры литья 1200-1300°С (жидкое состояние) до температуры кристаллизации сплавов - 900-1075°С (твердое состояние), а затем в процессе охлаждения слитка до температуры 500°С в среднем не менее 30 град/сек. Только такая скорость охлаждения позволяет получить после старения (в данном случае слитка) размер выделений хотя бы в одном направлении не более 200 нм, что обеспечивает надежность и стабильность получения фаз-упрочнителей определенного состава и морфологии.
При изготовлении металлоизделий из слитков рассматриваемой группы медных сплавов поступают двумя способами. Если изделие производится непосредственно из слитка точением или деформированием без нагрева исходных заготовок, то для достижения эффекта дисперсионного твердения необходим лишь нагрев до температур 400-650°С с выдержкой при от 5 мин до 4 часов (старение). В случае изготовления металлоизделий, связанного с нагревом заготовок (прокатка, прессование, ковка, штамповка) для получения требуемого технического результата необходимо сначала заготовку подвергнуть закалке от 800-1000°С (выдержка при темпераутре от 15 мин до 2 часов) со скоростью охлаждения в среднем не менее 30°С/сек, а затем старению при 400-650°С в течение 5 мин - 4 часов, в зависимости от состава сплавов, степени деформации, структуры, размеров и т.д. При изготовлении металлопродукции допустимо совмещение нагревов под закалку и старение с нагревом для деформации. Выделения фаз-упрочнителей в случае обработки слитков давлением более чем в два раза более мелкодисперсные.
Указанное обеспечивает требуемое сочетание физических, механических и эксплуатационных свойств слитков.
При этом в качестве заранее подготовленных лигатур используются те, которые содержат легирующие элементы сплава, либо трудно растворимые в меди и требующие для этого значительного повышения температуры расплава и увеличения времени процесса растворения с радикальной защитой расплава от окисления (хром, ниобий, ванадий, тантал, цирконий, гафний, титан, железо, кобальт), либо представляющих экологическую опасность (фосфор, теллур, кадмий, бериллий, магний).
Литье осуществляют полунепрерывным методом с подачей расплава в водоохлаждаемый кристаллизатор с последующим вытягиванием из него сформированного слитка или литьем в водоохлаждаемую изложницу, что обеспечивает скорость охлаждения.
Дисперсионно твердеющие сплавы - это особая группа сплавов, приобретающая оптимальное сочетание заданных свойств после термической (закалка + старение) или термомеханической обработки (закалка + холодная деформация + старение или закалка + старение + холодная деформация или закалка + холодная деформация + старение + холодная деформация).
Для того чтобы процесс дисперсионного твердения стал реальностью, необходимо подобрать из известных или разработать новый сплав с таким легирующим элементом или элементами (образуют в большинстве случаев между собой химические соединения - интерметаллиды), которые должны иметь переменную растворимость в твердом растворе с повышением/понижением температуры. Содержание легирующего элемента или элементов в основе должно быть вполне определенным. Избыток одного из них снижает электро- и теплопроводность, осложняет ведение плавки, снижает из-за окисления собственную растворимость в расплаве основы и т.д. В то время как их недостаток не позволяет достигнуть нужной концентрации твердого раствора, а следовательно, достаточного количества мелкодисперсных фазовых составляющих при его распаде в процессе старения. Поскольку скорость растворения легирующих элементов в расплаве, а также качество и стабильность химического состава от плавки к плавке являются решающими, лигатуры необходимо готовить отдельно, в специальных условиях, что можно сделать известными разнообразными методами. Например, использование лигатур Cu-Cr-Nb и/или Cu-Cr-Nb-Zr при изготовлении соответствующих сплавов позволяет в результате получить продукцию более стабильного состава, с 30-35% увеличением дисперсных выделений интерметаллидов, что обеспечивает повышение их термической стабильности (жаропрочности) при 20%-ном снижении потребления электроэнергии при плавке и термической обработке и двукратном снижении трудоемкости при изготовлении металлопродукции. Характерный химический состав металлопродукции из некоторых сплавов на медной основе, изготовленных с использованием лигатур и безлигатурным способом представлены в Таблице.
Марка сплава по ТУ
Пределы легирования сплавов, % по массе
Cr
Mb
Mi
Si
Zr
БрХ0,8
0,4-1,0
-
-
-
БрХНб
0,3-0,5
0,1-0,4
-
-
-
БрХНбЦр
0,3-0,5
0,1-0,3
-
-
0,03-0,08
БрХЦр
0,4-1,0
-
-
-
0,03-0,08
БрНХК
0,5-1,0
-
2,4-2,8
0,5-0,8
-
Расчетное количество вводимого легирующего элемента
БрХ0,8
0,8
-
-
-
-
БрХНб
0,5
0,4
-
-
-
БрХНбЦр
0.5
0,4
-
-
0,2
БрХЦр
0,8
-
-
-
0,12
БрНХК
0,7
-
2,5
0,6
-
Лигатурная плавка (среднестатистическое содержание легирующего элемента в слитке)
БрХ0,8
0,6-0,7
-
-
-
-
БрХНб
0,35-0,4
0,25-0,35
-
-
-
БрХНбЦр
0,35-0,4
0,30-0,37
-
-
0,06-0,08
БрХЦр
0,6-0,7
-
-
-
0,05-0,07
БрНХК
0,5-0,6
-
2,4-2,5
0,5-0,55
-
Безлигатурная плавка (среднестатистическое содержание легирующего элемента в слитке)
БрХ0,8
0,3-0,7
-
-
-
-
БрХНб
0,25-0,35
0,05-0,2
-
-
-
БрХНбЦр
0,2-0,3
0,07-0,2
-
-
0,01-0,05
БрХЦр
0,3-0,6
-
-
-
0,01-0,04
БрНХК
0,4-0,6
-
2,4-2,5
0,4-0,5
-
Примечание: Никель в сплав БрНХК вводится безлигатурно.
Если слитки требуют в дальнейшем переработки на проволоку, прутки, профили, плоский прокат, поковки и т.д., то перед обработкой их нагревают до температуры 800-1000°С, выдерживают при этой температуре от 15 мин до 2 часов и затем обрабатывают давлением любым из способов, например прессованием, прокаткой или ковкой. Полученные заготовки охлаждают со скоростью не менее 30°С/сек, совмещая таким образом горячую деформацию с закалкой на пересыщенный твердый раствор.
Конечной операцией обработки дисперсионно твердеющих сплавов является старение, которое для сплавов данного типа проводят при температуре от 400 до 650°С, в зависимости от состояния (литое или деформированное), степени деформации и времени. В результате старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, который образован при более высокой температуре и зафиксирован быстрым охлаждением. Старение происходит с выделением мелкодисперсных фаз-упрочнителей наноразмерной величины, что и обеспечивает высокое сочетание указанных свойств.
Обработку давлением, ускоряющую распад твердого раствора, в целом ряде случаев целесообразно совмещать со старением. Для этого деформацию закаленной заготовки проводят при температуре 400-650°С, предварительно нагревая заготовки до этих температур и выдерживая их в нагретом состоянии перед деформацией от 5 мин до 4 часов в зависимости от деформационной способности сплава и заданного сочетания свойств металлопродукции. Совмещенный со старением процесс теплой деформации позволяет значительно сократить время и энергетические затраты при получении металлопродукции, изменить морфологию выделений фаз-упрочнителей, а следовательно, и уровень ее свойств.
Для повышения прочностных свойств металлопродукции холодную деформацию проводят не только между закалкой и старением, но и после старения, дополняя или не дополняя этот технологический процесс низкотемпературным отжигом (достариванием) при температуре 350-550°С в течение 30-120 мин.