Термическая обработка сплавов ювелирной техники

Общие положения

Термическая обработка включает следующие основные операции: отжиг, закалка, старение и отпуск. Применение того или иного вида термообработки диктуется требованиями, которые предъявляются к материалам по механическим и физическим свойствам. Основными параметрами термообработки являются: температура нагрева металла, скорость нагрева, время выдержки, скорость охлаждения. При этом каждый вид термообработки подразделяется на разновидности, специфичные для данного сплава или имеющие определенное назначение.

Отжиг. Отжигом называется операция термообработки, заключающаяся в нагреве сплава определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении, обеспечивающем получение максимально равновесной структуры в данном сплаве. Цель отжига — привести металл в равновесное состояние, уменьшить его прочность и твердость, увеличить пластичность. Поскольку основные металлы ювелирной техники не имеют полиморфного превращения, к ним применимы следующие виды отжига: гомогенизационный, рекристаллизационный, дорекристаллизационный, гетерогенизационный.

Гомогенизационный отжиг. Назначение гомогенизационного отжига, или гомогенизации, — устранение дендритной ликвации, выравнивание химического состава сплава по телу зерна.

При кристаллизации сплава часто возникает дендритная ликвация. Она связана с тем, что кристаллизация твердого раствора происходит в интервале температур кристаллизации, между температурой линий ликвидус и солидус. При этом состав твердого раствора, находящегося в равновесии с жидкой фазой, непрерывно изменяется с изменением температуры. Если скорость охлаждения мала, то состав растущего кристалла в процессе охлаждения успевает выравниться и химический состав в центре зерна и на его границе оказывается одинаковым. В реальных условиях скорость охлаждения при кристаллизации оказывается обычно высокой, и процесс диффузионного выравнивания состава не успевает произойти. После кристаллизации состав зерна оказывается неоднородным. В частности, такое явление наблюдается в литой оловянистой бронзе и мельхиоре. При среднем содержании никеля в сплаве МН19 — 19—20% в центре зерна его содержание может достигать 30%, на границе зерна — 10—15%.

Следствием дендритной ликвации являются:

• 1) уменьшение коррозионной стойкости сплава в результате образования гальванических пар из-за различия химического состава центральных и периферийных участков зерна;
• 2) понижение пластичности сплава, особенно в тех случаях, когда по границам зерен образуются грубые прослойки нитридов, фосфидов и других фаз, а также неравновесной эвтектики;
• 3) образование строчечной структуры при обработке давлением. Строчечная структура сплава вызывает повышенную склонность сплава к межкристаллитному излому;
• 4) понижение температуры солидус и опасность оплавления границ зерен при термической обработке;
• 5) нестабильность структуры и свойств металла во времени.

Гомогенизирующий отжиг заключается в нагреве сплава до определенных температур, выдержке и последующем медленном охлаждении. Температура гомогенизирующего отжига выбирается обычно на 100— 150 °C ниже температуры солидуса для данного сплава. В частности, для сплава МН19 эта температура 950—1000°С, время выдержки при данной температуре определяется скоростью диффузии компонентов сплава. Обычно гомогенизирующий отжиг требует большой продолжительности: от 6 до 20 ч для полного выравнивания состава. Скорость охлаждения после выдержки особенного значения не имеет.

После гомогенизирующего отжига структура металла однородна по составу.

Рекристаллизационный отжиг. Рекристаллизационный отжиг — это термическая обработка холоднодеформированного металла. Назначение рекристаллизационного отжига — уменьшение прочности и увеличение пластичности деформированного металла, снятие наклепа, вызванного холодной пластической деформацией.

Основной процесс, который происходит при рекристаллизационном отжиге — рекристаллизация обработки.

Температура рекристаллизационного отжига обычно выбирается на 100—150°С выше температуры порога рекристаллизации. Время выдержки — 1ч. Скорость охлаждения особого значения не имеет. Значительный перегрев металла нежелателен, так как может привести к росту зерна и уменьшению пластичности сплава. В производстве изделий из цветных металлов рекристаллизационный отжиг используется намного чаще, чем при производстве стали. Наибольшее применение имеет полный рекристаллизационный отжиг — как в качестве подготовительной стадии перед очередной операцией холодного деформирования, так и как окончательная термообработка. При выборе режима отжига часто пользуются диаграммами рекристаллизации (рис. 7.1), причем следует учитывать возможность укрупнения зерен и формирование разнозеренной структуры. Скорость нагрева следует выбрать по возможности выше, если есть опасность нежелательного укрупнения зерна. Быстрый нагрев обеспечивается, например, погружением детали в соляную ванну.

Специальный рекристаллизационный отжиг на ультрамелкое зерно (размером 10 мкм и менее) возможен при большем числе центров рекристаллизации, что достигается быстрым нагревом в селитровой ванне. Дополнительно необходимым условием является наличие в структуре дисперсных частиц, тормозящих рост зерна. Такая обработка широко применяется для ряда медных сплавов.

В ряде случаев ограничиваются неполным рекристаллизационным отжигом. При таком отжиге частично сохраняются деформированные зерна.

Рис. 7.1. Диаграмма рекристаллизации золота.

Обжатие.%.

Латуни перед обработкой давлением и получением требуемых свойств заготовок подвергаются рекристаллизационному отжигу при 500—550°С с охлаждением на воздухе. Для улучшения отделения слоя окалины охлаждение проводят в воде. Если требуется получить мелкое зерно (последующая операция — глубокая вытяжка), температуру отжига снижают до 450—500°С. Перегрев при отжиге приводит к крупнозернистое™, снижающей как прочность, так и пластичность.

Особая разновидность отжига первого рода — отжиг, уменьшающий остаточные напряжения.

Остаточные напряжения (первого рода) получаются при литье заготовок, сварке, закалке, шлифовке и прочих технологических операциях. Они могут быть сжимающими или растягивающими. Последние наиболее опасны, так как, складываясь с приложенной внешней нагрузкой, могут вызывать разрушения даже при относительно небольшом нагружении. Температуры отжига для снятия внутренних напряжений обычно невелики. Для сплавов на основе меди, серебра и золота 400—500°С, на основе платины 600—700°С.

Гетерогенизационный отжиг. Назначение гетерогенизационного отжига — получение наиболее равновесной, стабильной структуры в сплаве, понижение прочности и повышение его пластичности.

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. 7.2 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 a-твердый раствор меди в серебре и P-твердый раствор серебра в меди, т. е. двухфазна. Если скорость охлаждения после кристаллизации сплава недостаточно низкая, то P-фаза или выделяется не полностью, или не образуется вообще. В этом случае назначается гетерогенизационный отжиг.

Полный смягчающий отжиг заключается в нагреве выше температуры сольвуса до температуры однофазной области — точка Ъ на рис. 7.2.

В результате нагрева выше линии ограниченной растворимости (точка b на рис. 7.2) в структуре формируется однородный твердый раствор а. 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 (см. рис. 7.2, точка а).

Рис. 7.2. Часть диаграммы Ад—Си.

Хотя время выдержки при неполном отжиге больше, нежели при полном, скорость охлаждения может быть довольно 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 классификации¹ 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;е 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^[1]

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. 7.2. Если сплав с 7% Си нагреть выше линии сольвус (точка Ь), то его структура — a-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 — a-твердый раствор с 7% Си в серебре. Этот твердый раствор является пересыщенным, так как растворимость меди в серебре при +20°С менее 0,2%.

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

Старение.

Закалка редко является завершающей операцией термообработки. После закалки проводят обычно 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 твердого раствора 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 технологическими параметрами старения являются температуры старения и время выдержки. Скорость и нагрева и охлаждения особой роли не играет. Режимы старения специфичны и подбираются для сплава данного состава индивидуально.

• [1] Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986.