Твердость медных сплавов

Когда говорят про твердость медных сплавов, многие сразу думают про марки вроде БрБ2 или М1, но на практике все сложнее — тут и структура зерна, и способ упрочнения, и даже то, как сплав ведет себя под нагрузкой со временем.

Что на самом деле влияет на твердость

Вот берём, допустим, бериллиевую бронзу. Все знают, что она упрочняется старением, но мало кто учитывает, что пережог всего на 10-15 градусов выше оптимальной температуры закалки уже даёт необратимый отпуск — и твердость падает с ожидаемых 42 HRC до 35-36. Причём визуально сплав не меняется, а вот при обработке резанием сразу чувствуется разница.

С хром-циркониевой медью другая история — её твердость сильно зависит от степени деформации перед отпуском. Мы как-то пробовали прокатывать ленту с обжатием 60% вместо 40%, думали, получим прирост. Ан нет — появились микротрещины по границам зёрен, и при термообработке твёрдость оказалась даже ниже паспортной.

А вот медно-никель-кремниевые сплавы — те вообще капризные. Если не выдержать скорость охлаждения после гомогенизации, образуется грубая дисперсная фаза. Потом её ни термообработкой, ни деформацией не исправить — материал идёт в брак.

Практические сложности при работе с упрочнением

На производстве часто сталкиваюсь с тем, что заказчики требуют твёрдость по верхнему пределу ГОСТ, не учитывая, что для деталей сложной конфигурации это может привести к хрупкому разрушению. Особенно с фосфористыми бронзами — там всего 0,1% фосфора уже меняет пластичность радикально.

Помню случай с контактными шинами для энергооборудования — использовали медно-железный сплав с требованием твёрдости не менее 110 HB. Дали закалку+отпуск, получили по паспорту 115 HB, а в эксплуатации контакты покрылись трещинами через полгода. Оказалось, при циклическом нагреве происходило разупрочнение из-за коагуляции дисперсных частиц.

Сейчас для таких случаев в ООО ?Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии? рекомендуют двухстадийное старение — сначала при 300°C, потом при 450°C. Да, процесс дольше, но структура стабилизируется и твёрдость держится годами.

Особенности контроля твёрдости в цеху

Многие технологи забывают, что замер твёрдости по Бринеллю для медных сплавов нужно делать обязательно со сферическим наконечником — если использовать алмазный конус как для сталей, получаются неверные значения из-за ползучести материала.

Ещё важный момент — направление прокатки. Для лент из бескислородной меди разброс твёрдости вдоль и поперёк направления может достигать 10%. Поэтому в спецификациях всегда указываем ориентацию образца.

С алюминиевыми бронзами вообще отдельная история — там твёрдость сильно зависит от содержания железа. Если Fe меньше 3%, упрочнение идёт в основном за счёт выделений κ-фазы, а если больше — уже влияют ферритные включения. И это не всегда линейная зависимость.

Опыт с комбинированными сплавами

Когда работали над медно-алюминиевыми композитами, столкнулись с интересным эффектом — после диффузионного отжига твёрдость в зоне контакта меди и алюминия оказывалась выше, чем у обоих исходных материалов. Образовывались интерметаллиды типа CuAl2, которые создавали дополнительное упрочнение.

Но здесь есть подвох — если перегреть композит хотя бы на 20-30 градусов выше оптимальной температуры, интерметаллидный слой становится хрупким. При механических испытаниях такие образцы разрушались по границе раздела фаз.

Сейчас в Ляньсинь для таких случаев разработали режим ступенчатого отжига — сначала при 450°C для активации диффузии, потом кратковременный нагрев до 520°C для формирования мелкодисперсных интерметаллидов. Твёрдость получается стабильной 85-90 HRB.

Нюансы при обработке специальных сплавов

С марганцово-медными сплавами есть особенность — они склонны к возвратному разупрочнению при длительном хранении после холодной деформации. Как-то получили партию прутков с твёрдостью 180 HB, через месяц перепроверили — уже 165 HB. Пришлось вводить дополнительную стабилизационную термообработку при 200°C.

Для титано-медных сплавов критична чистота исходных материалов — даже следовые количества кислорода (больше 0,01%) приводят к образованию оксидных плёнок на границах зёрен. Это снижает и твёрдость, и электропроводность одновременно.

В профилях нестандартной формы проблема другая — неравномерность деформации при изготовлении приводит к тому, что в разных сечениях одного изделия твёрдость отличается на 15-20%. Приходится подбирать индивидуальные режимы отжига для разных участков.

Выводы и практические рекомендации

За годы работы понял главное — не бывает универсальных рецептов для твёрдости медных сплавов. То, что работает для бериллиевой бронзы, совершенно не подходит для оловянной латуни. Даже в пределах одной марки разные партии могут вести себя по-разному из-за исходной структуры литья.

Сейчас при подборе режимов всегда смотрю не только на химический состав, но и на историю обработки сплава — был ли он гомогенизирован, какая степень деформации применялась, как хранился полуфабрикат.

Для ответственных применений рекомендуем делать не просто замер твёрдости, а полный анализ структуры — размер зерна, распределение фаз, наличие выделений по границам. Это хоть и дороже, но позволяет избежать проблем в дальнейшем.