Термообработка бронзы

Термообработка бронзы  включает такие процессы, как отжиг, закалка и старение, которые применяются для изменения ее механических и физических свойств в зависимости от марки сплава. 

Основные виды термообработки бронзы

• Отжиг: Применяется для снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и улучшения обрабатываемости бронзы. Для литейных оловянных бронз часто используется высокий отжиг при температуре около 540–550°С. Для термоупрочняемых бронз отжиг (рекристаллизационный) может проводиться после холодной деформации для восстановления структуры.
• Закалка: Эффективна только для так называемых термоупрочняемых (облагораживаемых) бронз (например, бериллиевые бронзы, хромистые бронзы, некоторые алюминиевые бронзы), в которых растворимость легирующего элемента резко падает с понижением температуры. Процесс включает:
  1. Нагрев до высокой температуры (например, для бериллиевой бронзы это около 750–800°С) для получения однородного твердого раствора.
  2. Быстрое охлаждение (обычно в воде) для фиксации пересыщенного твердого раствора. Закалка повышает пластичность и позволяет проводить дальнейшую холодную деформацию (гибку, вытяжку).
• Старение (дисперсионное твердение): Это второй этап термообработки термоупрочняемых бронз, который проводится после закалки. Он направлен на значительное повышение твердости, прочности, упругости и износостойкости.
  • Процесс заключается в выдержке закаленного изделия при относительно низкой температуре (например, 180–200°С в течение нескольких часов).
  • В результате старения происходит выделение дисперсных частиц упрочняющей фазы из пересыщенного твердого раствора, что и приводит к упрочнению материала. 

Важные нюансы

• Обычные оловянные бронзы (нетермоупрочняемые) не закаливаются в традиционном смысле для достижения высокой твердости. Их свойства можно изменить только отжигом или холодной деформацией (нагартовкой).
• Температурные режимы строго зависят от конкретной марки бронзы и содержания легирующих элементов. Неправильный нагрев может привести к разрушению или ухудшению свойств сплава. 

Термообработка позволяет получить широкий диапазон механических свойств бронзовых изделий, от высокой пластичности до максимальной прочности и твердости, что делает эти сплавы универсальными в различных применениях.

В некоторых бронзах при понижении температуры растворимость легирующей компоненты резко падает и её выделение из твердого раствора  приводит к эффекту дисперсионного твердения. Этот процесс сопровождается резким изменением физических и механических свойств. 

Бронзы, способные к дисперсионному твердению, позволяют осуществлять упрочнение изделий из них за счет специальной термообработки (облагораживание). В результате возрастают твердость, пределы текучести и прочности, модули упругости, улучшается коррозионная стойкость, повышается тепло- и электропроводность.

К бронзам с эффектом дисперсионного твердения относятся бериллиевые, хромистые, циркониевые, кремнисто-никелевые и некоторые сложные сплавы (см. таблицу марок бронз). Полуфабрикаты из таких бронз (прутки, ленты, плиты, проволока) имеют следующие состояния поставки:

- Без термообработки

Это горячекатаные плиты или прессованные прутки, остывающие с естественной скоростью.

- С термообработкой (закалка)

В этом случае полуфабрикат нагревается до  некоторой «высокой» температуры после чего производится его закалка в воду для получения пересыщенного твердого раствора. Это закаленные полуфабрикаты, состояние которых обычно маркируется буквой «М». Такая термообработка повышает пластичность и позволяет в дальнейшем производить операции гибки, вытяжку, прокатку и другие виды холодной деформации. Твердость, пределы текучести и прочности, пластичность закаленных бронз несколько выше, чем  у прессованных.

-  С термообработкой (закалка) и последующей холодной деформацией

Холодная деформация повышает пределы текучести и прочности и увеличивает твердость закаленных полуфабрикатов. Холоднодеформированный полуфабрикат после закалки обычно маркируется буквой «Т». 

Второй этап термообработки – отпуск, обычно производится уже над изделием. Отпуск производится при «низкой температуре» в течение определенного времени. В процессе отпуска происходит выделение  -фазы с упорядоченным распределением легирующего элемента. Эти выделения связаны со значительными напряжениями кристаллической решетки, которые вызывают повышение прочности и твердости.  

Таким образом, облагораживание такого класса бронз состоит из двух операций. Вначале производится быстрая закалка, затем длительный отпуск. Между закалкой и отпуском может производиться упрочнение холодной деформацией или изготовление детали. Режимы облагораживания сильно зависят от химического состава бронзы. Для БрБ2 температура закалки 750-790 С, температура отпуска 300 – 350 С  в течение 2 – 4 часов. Для БрХ0.5 температура закалки 950 С, температура отпуска 400 С в течение 4 часов.

Эффект термообработки для прутка из БрБ2 показан на гистограмме, а для лент - в таблице. Там же, в таблице,  приведен эффект облагораживания для хромистой бронзы БрХ0.5. 

 Дисперсионное твердение изделий, изготовленных из термоупрочняемых бронз (БрБ2, БрХ, БрХЦр, БрКН, БрАЖН) и сплавов (МНМц20-30) существенно повышают показатели прочности и твердости в сравнении с исходным материалом поставки. Наибольший эффект от облагораживания  имеют изделия из бериллиевых бронз.