Материалы для ювелирных изделий - Владимир Куманин

Гетерогенизационный отжиг. Назначение гетероге-низационного отжига – получить наиболее равновесную, стабильную структуру в сплаве, понизить его прочность и повысить пластичность.

Гетерогенизационный отжиг применим только в том случае, когда растворимость одного из компонентов в твердом состоянии значительно изменяется с температурой. Главным процессом при гетерогенизационном отжиге является возможно более полное выделение второй фазы из матрицы.

На рис. 6.2 приведена часть диаграммы состояния серебро – медь. Медь ограниченно растворима в серебре, и ее растворимость изменяется с температурой от 0,2 % при 220 °C до 8,8 % при 779 °C. В сплавах, содержащих до 8,8 % меди, структура в равновесном состоянии двухфазна (α-твердый раствор меди в серебре и β-твердый раствор серебра в меди). Если скорость охлаждения после кристаллизации сплава не достаточно низкая, то β-фаза или выделяется не полностью, или не образуется вообще. В этом случае назначается гетерогенизационный отжиг.

Полный смягчающий отжиг заключается в нагреве сплава из двухфазной области выше температуры сольвуса до температуры однофазной области (точка Ь).

Рис. 6.2. Часть диаграммы Ag – Си.

В результате формируется однородный твердый раствор α. Последующее медленное охлаждение сплава позволит получить наиболее равновесную структуру, снизить концентрацию твердого раствора а до равновесной за счет понижения растворимости компонентов при понижении температуры. При этом успевает произойти процесс образования частиц второй фазы. Все это приводит к разупрочнению структуры сплава. Поэтому скорость охлаждения играет в данном случае решающую роль. При более быстром охлаждении очень часто твердый раствор оказывается пересыщенным.

Для сокращения времени обработки материалов, у которых растворимость слабо зависит от температуры до некоторого предела, а затем резко возрастает, может быть применен неполный смягчающий отжиг. Такой отжиг проводят при температуре ниже линии сольвуса, но достаточной для протекания диффузии и заметного снижения концентрации матричного раствора (точка а на рис. 6.2).

Хотя время выдержки при неполном отжиге больше, нежели при полном, скорость охлаждения может быть достаточно высокой (на воздухе и даже в воде).

Регулируя параметры гетерогенизационного отжига (скорости нагрева и охлаждения, температуру и время выдержки), добиваются различной твердости, пластичности, коррозионной стойкости.

Закалка

Закалкой называется термическая обработка, основным процессом при которой является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения.

Согласно принятой классификации (Новиков И. И. Теория термической обработки металлов), различают три принципиально отличных вида закалки: закалка без полиморфного превращения, закалка с полиморфным превращением и закалка с плавлением поверхности.

Закалка с полиморфным превращением (на мартенсит) – самый древний вид термообработки стали.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре. Ее промышленное использование началось одновременно с применением дюралюминия в авиастроении. В сочетании со старением она является основным способом упрочнения очень многих сплавов цветных металлов. Новейшим видом термической обработки, появившимся в 1970-х гг., является закалка с плавлением поверхности. Она имеет пока очень узкое применение, главным образом после лазерного нагрева.

Основные параметры любого вида закалки – температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения. Как и в случае отжига, в процессе нагрева под закалку необходимо обеспечить наибольшую полноту фазовых изменений, растворение неравновесных фаз и т. д. Основным отличием закалки от отжига является такая высокая скорость охлаждения, при которой максимально ограничены диффузионные процессы.

При высоких скоростях охлаждения сплава распад твердого раствора произойти не успевает. Концентрация компонентов в твердом растворе остается такой же, какой она была при температуре нагрева под закалку. В результате при низких температурах фиксируется структура пересыщенного твердого раствора с повышенной внутренней энергией. Поэтому структура закаленного металла нестабильна. Это явление наблюдается в чистом виде при закалке без полиморфного превращения.

Пример закалки в сплаве системы Ag – Си показан на рис. 6.2. Если сплав с 7 % Си нагреть выше линии сольвуса (точка Ь), то его структура – α-твердый раствор с 7 % Си. Быстрое охлаждение этого сплава, например в воде, зафиксирует твердый раствор исходной концентрации. Таким образом, при комнатной температуре структура этого сплава после закалки – α-твердый раствор с 7 % Си в серебре. Этот твердый раствор является пересыщенным, так как растворимость меди в серебре при +20 °C менее 0,2 %.

Закалка без полиморфного превращения приводит к уменьшению твердости и прочности сплава, т. к. при этом в структуре отсутствуют упрочняющие сплав частицы второй фазы.

Старение

Закалка редко является завершающей операцией термообработки. После нее обычно проводят отпуск или старение.

Старение – это изменение структуры и свойств металлов и сплавов в процессе длительных выдержек при комнатной или повышенной температуре. Целью старения является упрочнение сплава.

В процессе длительных выдержек в неравновесной закаленной структуре сплава происходит постепенный распад пересыщенного твердого раствора. Из него выделяется компонент, концентрация которого в растворе избыточна. Он образует или области повышенной концентрации (зоны Гинье – Престона), или мелкодисперсные частицы второй фазы. Все это приводит к упрочнению сплава.

Основными технологическими параметрами старения являются температуры старения и время выдержки. Скорость и нагрева, и охлаждения существенной роли не играет. Режимы старения специфичны и подбираются для сплава данного состава индивидуально.

6.1. Термическая обработка литейных сплавов

Согласно классификатору ювелирных сплавов (рис. 3.36) основными являются благородные сплавы на серебряной, золотой и платиновой основах, а также медные, алюминиевые и цинковые сплавы. Преимущественными операциями термообработки всех перечисленных сплавов являются закалка и старение. Теория и назначение данных видов термообработки описаны в предыдущем разделе. В настоящем разделе на конкретных примерах рассмотрены применение закалки и старения для литых сплавов на алюминиевой и медной основах, а также гомогенезационный и гетероге-низационный отжиги.

Согласно положению сплава на диаграмме состояния литейный дюралюмин марки Д1, содержащий 3,8 % Си, 0,8 % Mg, 0,6 % Мп, остальное Al, после затвердевания в условиях равновесия должен иметь однофазную α-структуру. Скорость охлаждения при кристаллизации сплава ≤ 1 °C/с соответствует литью в песчано-глинистые смеси и в оболочковые формы. Однако при охлаждении сплава в кокиле, литье под давлением и прессовании при кристаллизации со скоростью охлаждения от 20 до 150 °C/с кристаллизация проходит в неравновесных условиях. В сплаве в некотором количестве появляются продукты эвтектической кристаллизации. Количество эвтектической составляющей тем больше, чем выше содержание меди и магния в сплаве.

При последующем охлаждении вследствие резкого уменьшения растворимости меди и магния в алюминии происходит распад твердого раствора с выделением соединения СиAl2 и в небольшом количестве фазы S (Al2MgCu) (рис. 6.3). Обе фазы вызывают упрочнение сплава.

Режимы закалки и старения подбираются для каждого состава сплава индивидуально (в приведенном случае – закалка от 500 °C, старение при 20 °C в течение четырех суток) и в основном одинаковы для деформированного и литого состояния сплава. Однако при дендритной ликвации литых сплавов их механические свойства становятся неоднородными. Кроме того такие сплавы начинают сильнее корродировать.

Рис. 6.3. Микроструктуры: а – литого дюралюмина Д1 × 250 (видны дендриты алюминиевого твердого раствора (светлые) и фаза CuAI2 (серая); фаза S и марганцовистая составляющая ввиду их малых количеств при данном увеличении не обнаруживаются); б – закаленного дюралюмина × 500 (видны зерна алюминиевого твердого раствора и включения нерастворимых фаз; в — состаренного дюралюмина × 200 (на шлифе кроме α-твердого раствора видны темные включения марганцовистой фазы).

Как говорилось ранее, дендритную ликвацию можно устранить, если сплав отжечь при температурах на 50—100 °C ниже линии солидуса.

Для разных литейных сплавов существуют два вида отжига – гомогонизационный и гетерогенизационный.