2. Механические свойства сплавов

Наиболее распространенными и чаще всего применяемыми в практике характеристиками свойств металлов и сплавов являются прочностные характеристики: твердость, временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, сужение.

Промышленные сплавы меди для художественного литья обладают хорошими механическими свойствами, они свободно деформируются, подвергаются различным видам механической обработки. В зависимости от содержания легирующих элементов в сплавах механические свойства изменяются в широком диапазоне.

Латуни. Зависимость характеристик механических свойств (НВ, σ_В, δ, ψ) медно-цинковых сплавов от содержания цинка, определенная для образцов в твердом состоянии, приведена на рис. 76. В многокомпонентных латунях такие легирующие элементы, как алюминий, никель, кремний, железо, повышают прочностные свойства, твердость сплава. Латуни упрочняются деформационным наклепом

Рис. 76. Зависимость механических свойств медно-цинковых сплавов от их состава (образцы в твердом состоянии)

Оловянные бронзы. В области α-твердого раствора повышение содержания олова в сплавах приводит к увеличению твердости, временного сопротивления, уменьшению относительного удлинения. Так как сплавы обладают широким интервалом кристаллизации и составы жидкой и твердой фаз в системе Cu - Sn сильно различаются, развивается интенсивная дендритная ликвация. Особенно сильная дендритная ликвация наблюдается в отливках при центробежном способе заливки расплава в форму. В меньшей мере ликвация, проявляется при получении тонкостенных отливок в установках вакуумного литья (типа S10/GAl000 фирмы "Линн Электроник").

Неоднородность структуры и химического состава оказывает дополнительное влияние на механические свойства отливок, вызывает внутренние напряжения в отливках. Для снятия остаточных напряжений необходим отжиг, который для отливок из оловянных сплавов (типа БрОФ6,5-0,4; БрОЦ4-2,5) проводят при температуре порядка 250...300 °С. Температура гомогенизационного отжига для устранения последствий ликвации и получения равномерного цвета лицевой поверхности отливок из оловянных бронз составляет 625...750°С в течение 1...6 ч.

В многокомпонентных оловянных бронзах легирующие компоненты (алюминий, никель, кремний) повышают прочность, упругие свойства, свинец улучшает обрабатываемость резанием (в частности, отливки лучше чеканятся). Бронзы всех марок, в которых легирующие компоненты входят в твердый раствор, упрочняются деформационным наклепом. Низкотемпературным отжигом (t = 250...300 °С) могут быть улучшены упругие свойства.

Безоловянные бронзы. Бронзы этого класса по ряду параметров (литейные свойства, коррозионная стойкость, относительная дешевизна и т. д.) превосходят оловянные бронзы. Наиболее широко для получения кабинетных отливок, изделий мелкой пластики используются алюминиевые бронзы. Зависимость их механических свойств (НВ, σ_В, γ, ψ) от состава приведена на рис. 77. Обрабатываемость резанием улучшается с увеличением содержания алюминия в сплавах, а также с вводом в состав бронз свинца. Улучшается соответственно и механическая обработка отливок.

Рис. 77. Механические свойства алюминиевых бронз (деформированных) в зависимости от состава

Медно-никелевые сплавы. Основным легирующим элементом является никель. С увеличением содержания никеля твердость и прочность сплавов повышаются. Нейзильбер и мельхиор хорошо деформируются, упрочняются деформационным наклепом. Введение алюминия в сплав делает их дисперсионно-твердеющими (сплавы МНAl3 -3, МНА6 - 1,5), повышается также коррозионная стойкость. Свинцовистый нейзильбер обладает хорошими упругими свойствами, хорошо обрабатывается резанием.

Температура полного отжига мельхиора (МН19) и нейзильбера (МНЦ15 -20) составляет 600...780 °С. Для уменьшения остаточных напряжений достаточна температура 250...300 °С (МНЦ15-20).

Нейзильбер МНЦ15-20. Для улучшения механических свойств широко применяемого в центробежном литье при изготовлении ювелирных изделий из нейзильбера необходимо вводить добавки с учетом их раскислительной способности, позволяющие уменьшить содержание оксида Cu (II) и повысить пластичность, а также прочностные свойства нейзильбера. Кроме того, ряд добавок дополнительно с увеличением механических свойств улучшает коррозионную стойкость отливок.

Для изучения влияния различных легирующих добавок на механические свойства нейзильбера были опробованы следующие элементы: Al, Sn, Cd, In, Ga, Ni, Mn, V. Количество добавок не превышало 1% (по массе). Механические свойства отливок изучались при температуре 20 °С с использованием установки "Инстрон". Установлено, что наиболее эффективное влияние на свойства нейзильбера оказывали легкоплавкие добавки: алюминий и олово.

Центробежное литье образцов проводили в следующем режиме: температура плавки и литья 1120 °С, температура формы при заливке сплава 600 °С. Механические свойства микрогагаринских образцов изучали в литом состоянии. Легирующие добавки вводили в расплавленный нейзильбер в два приема. Это особенно важно для некоторых элементов, в частности для алюминия, так как в этом случае уменьшается угар металла (нет сильного локального перегрева) и он лучше распределяется в массе расплава.

В табл. 18 приведены механические свойства нейзильбера с добавками алюминия и олова. Предел текучести σ_0,2, временное сопротивление σ_В и относительное удлинение γ вычисляли по результатам замера соответствующих параметров четырех образцов, полученных от каждого из исследуемых сплавов. С увеличением содержания легирующих добавок, [свыше 0,2% (по массе)] механические свойства сплавов улучшаются. Величина прочности и пластичности резко возрастает при легировании нейзильбера алюминием в количестве 0,7% (по массе).

Таблица 18. Механические свойства нейзильбера, легированного алюминием и оловом

Образцы отливок из нейзильбера МНЦ15 -20 с легирующими добавками алюминия и олова [0,7% (по массе)], представляющие наибольший практический интерес, изучены с использованием сканирующего электронного микроскопа.

Съемка в рентгеновском излучении позволяет установить распределение легирующих добавок при введении их в расплав (рис. 78). Так, если сплав нейзильбера с алюминием характеризуется равномерным распределением легирующего элемента по всему объему, то плотность распределения олова неравномерная, наблюдаются сегрегации, обогащенные словом. На рис. 78, д приведен линейный профиль распределения олова с характерным пиком, соответствующим повышенному содержанию легирующего компонента (в виде микровключений или сегрегации). Легирующие добавки, вводимые в расплав для улучшения технологических свойств нейзильбера МНЦ15-20, оказывают различное влияние на его параметры. Наиболее высокие механические характеристики достигнуты при легировании нейзильбера алюминием при оптимальном содержании его в сплаве 0,6... 1,0% (по массе): σ_В = 300...350 МПа, γ = 36...40%.

Рис. 78. Фотографии, полученные в электронном микроскопе, иллюстрирующие распределение легирующих добавок в нейзильбере МНЦ15-20: а, б - МНЦ15-20 + 0,7% Al(х500); в. г, д - МНЦ15-20+0,7% Sn(xl500)

Введение алюминия в расплав при изготовлении отливок приводит также к повышению коррозионных свойств нейзильбера. Установлено, что минимальные потери от брака на операциях литья и ювелирной обработки имеет сплав, содержащий 0,5...1,0% (по массе) Al. В табл. 19 приведены механические свойства практически всех сплавов на основе меди, используемых при производстве художественных, ювелирных и сувенирно-подарочных изделий.