Медь-никель-кремний c7035 система cunisi

Когда слышишь про медь-никель-кремний c7035 систему cunisi, многие сразу думают — обычная дисперсионно-твердеющая медь, ничего сложного. Но на деле с C7035 вечно вылезают нюансы, которые в спецификациях не пропишешь. Вот, к примеру, как раз на прошлой неделе пришлось переделывать партию штамповочных матриц — казалось бы, отжиг по стандарту провели, а после механической обработки пошли микротрещины. Система Cu-Ni-Si в теории предсказуема, но на практике фазы Ni?Si могут распределиться так, что даже при 95% IACS электропроводность просядет, а твердость будет 'плясать' на 10-15 HV.

Что скрывается за маркой C7035

Если брать наш опыт на ООО ?Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии?, то C7035 — это не просто сплав с 2-3% Ni и 0.5-0.7% Si. Критично здесь соотношение никеля к кремнию — в идеале около 4:1, иначе вместо мелкодисперсных выделений Ni?Si образуются грубые фазы по границам зерен. Мы как-то получили партию с завышенным кремнием — всего на 0.15% выше верхнего предела, а после старения 450°C/4ч пластичность упала до 12%, хотя по стандарту должна быть не ниже 20%. Пришлось дробить режим — сначала 500°C/1ч, потом 350°C/8ч, но это уже отклонение от типовой технологии.

Еще момент — чистота шихты. Вроде бы медь-никель-кремний не должна быть капризной, но если в шихте есть следы свинца или висмута (даже 0.003%), при горячей прокатке на 850°C обязательно пойдет межкристаллитное охрупчивание. Мы сейчас для ответственных заказов используем только вакуумную плавку, хотя это и удорожает процесс на 15-20%. Зато стабильно получаем 650 МПа предел прочности при 22% относительного удлинения.

Интересно, что многие забывают про роль марганца в этом сплаве. Да, в C7035 его обычно до 0.3%, но именно он связывает случайную серу, предотвращая образование хрупких сульфидов. Без этого даже при идеальном составе Ni-Si после термообработки могут появиться аномальные зоны с пониженной ударной вязкостью. Проверяли на образцах — разница до 7 Дж/см2 между сплавами с 0.1% и 0.25% Mn.

Проблемы термообработки — от теории к цеху

Старение — самый капризный этап. В лабораторных условиях все просто: растворили при 900°C, закалка в воду, затем 450-500°C на 2-4 часа. Но в производственных печах объемом 2-3 тонны всегда есть градиент температур. Как-то замерили в разных точках печи — перепад достигал 25°C, и это при том, что для C7035 отклонение даже в 15°C уже критично. В результате одна часть партии имела твердость 180 HV, другая — 210 HV. Пришлось разрабатывать каскадный режим с постепенным подъемом температуры.

Особенно сложно с тонкостенными профилями. Помню, делали токоведущие шины для электротранспорта — толщина стенки 1.2 мм. После стандартного старения начало 'вести' геометрию, пришлось вводить дополнительную правку в холодном состоянии. Сейчас для таких случаев используем старение под пригрузом — дороже, но сохраняет геометрию.

Еще одна головная боль — скорость охлаждения после закалки. Казалось бы, медь-никель-кремний не так чувствительна к этому параметру, как, скажем, бериллиевые бронзы. Но если охлаждать слишком медленно (например, в масле вместо воды), фазы Ni?Si начинают выделяться уже при охлаждении, а потом при старении не добиться нужной дисперсности. Проверяли — разница в электропроводности достигает 12% IACS между образцами, охлажденными в воде при 20°C и в масле при 60°C.

Опыт применения в реальных изделиях

Для контактов силовых разъемов C7035 — один из лучших вариантов, если не считать дорогих сплавов с кобальтом. Но здесь важно контролировать состояние поверхности после штамповки. Как-то поставили партию контактных пластин — вроде все по ТУ, а через месяц эксплуатации началось повышенное переходное сопротивление. Оказалось, при штамповке образуются микротрещины глубиной 10-15 мкм, которые не видны при обычном контроле. Теперь обязательно делаем травление в специальном реактиве перед отгрузкой.

Интересный случай был с пружинящими элементами для автомобильных реле. Изначально использовали фосфористую бронзу, но перешли на C7035 — выше и прочность, и электропроводность. Проблема возникла с усталостной прочностью — при циклическом нагружении 10? циклов трещины появлялись раньше расчетного срока. Пришлось менять технологию поверхностной обработки — добавили дробеструйную обработку, что повысило предел выносливости на 18%.

Для волноводов СВЧ-диапазона C7035 вообще показал себя неоднозначно. Электропроводность вроде бы достаточная, но при пайке серебряными припоями начиналась межкристаллитная коррозия в зоне термического влияния. Решили проблему только подобрав буферный слой из чистой меди — дополнительная операция, но зато надежно.

Металлургические тонкости производства

При непрерывном литье C7035 ведет себя специфически — склонен к образованию осевой пористости. Стандартная скорость литья 120-150 мм/мин не подходит, приходится снижать до 80-100 мм/мин, иначе в центре слитка появляются микропоры, которые потом при прокатке вытягиваются в дефекты длиной до полуметра. Особенно критично для прутков диаметром менее 30 мм.

Горячая прокатка — еще один сложный этап. Температурный интервал довольно узкий — 750-850°C. Ниже 750°C резко растет сопротивление деформации, выше 850°C начинается пережог по границам зерен. Причем пережог иногда проявляется не сразу, а только после термической обработки — появляются рыхлые участки с пониженной прочностью.

Холодная прокатка с промежуточными отжигами — здесь главное не переборщить со степенью деформации. Для C7035 оптимально 60-70% между отжигами. Если давать больше 80%, после рекристаллизационного отжига получается слишком крупное зерно (иногда до 150 мкм), что плохо сказывается на штампуемости. Меньше 50% — неполная рекристаллизация, остаются деформированные участки.

Контроль качества — где чаще всего ошибаются

Самая распространенная ошибка — контроль твердости вместо комплекса характеристик. C7035 может иметь твердость по Бринеллю 180-190 HB, но при этом низкую электропроводность или недостаточную пластичность. Мы всегда проверяем минимум 4 параметра: предел прочности, относительное удлинение, твердость и электропроводность. И только по всем четырем показателям можно судить о качестве термообработки.

Ультразвуковой контроль тоже имеет особенности. Из-за специфической текстуры деформации в прутках и полосах C7035 ультразвук может давать ложные сигналы. Пришлось разрабатывать специальные датчики с изменяющимся углом ввода — стандартные нормально-наклонные не всегда показывают реальные дефекты.

Микроструктурный анализ — здесь важно не пропустить выделения вторичных фаз по границам зерен. Иногда при неправильном режиме старения кроме основных выделений Ni?Si образуются еще и богатые никелем фазы, которые резко снижают коррозионную стойкость. Выявляется это только травлением в специальных реактивах — стандартное травление щавелевой кислотой не всегда показывает.

Перспективы и ограничения системы Cu-Ni-Si

Сейчас много говорят о модифицированных сплавах системы Cu-Ni-Si с добавками хрома или циркония. Да, они дают прирост прочности на 10-15%, но технологичность резко падает — требуется более строгий контроль всех параметров. Для массового производства это не всегда оправдано.

Интересное направление — комбинированная термомеханическая обработка C7035. Пробовали совмещать старение с контролируемой пластической деформацией — в лабораторных условиях получали прочность до 750 МПа при сохранении электропроводности 80% IACS. Но для промышленного внедрения пока слишком сложно контролировать процесс.

Основное ограничение C7035 — все-таки температурная стабильность. При длительной работе выше 300°C начинается коагуляция выделений, свойства постепенно ухудшаются. Для электротехники, где возможны перегрузки и локальный перегрев, это критично. Поэтому для таких применений часто выбирают хром-циркониевую медь, хоть она и дороже.

В целом же медь-никель-кремний c7035 остается рабочим вариантом для большинства применений, где нужны высокая прочность и хорошая электропроводность. Главное — понимать ее особенности и не пытаться слепо копировать технологии от других медных сплавов. Как показывает практика ООО ?Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии?, даже с таким изученным сплавом постоянно находишь новые нюансы при переходе от лабораторных образцов к промышленным партиям.