СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ СВИНЦОВЫХ ЛАТУНЕЙ Российский патент 2009 года по МПК C22F1/08 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству полуфабрикатов из свинцовых латуней, в частности прутков и проволоки.

Известно, что свинцовые латуни очень хорошо обрабатываются резанием с получением мелкодисперсной сыпучей стружки; это облегчает ее удаление из зоны резания (что особенно важно при использовании станков-автоматов), способствует получению высокого качества поверхности деталей и повышению стойкости режущего инструмента [1]. Перечисленные положительные качества изделий из свинцовых латуней проявляются при легировании сплавов свинцом в интервале 0,6-3,0% и с содержанием в них меди от 58 до 74% [1, 3, 4, 6-10].

Однако поведение этих латуней при горячей и особенно при холодной деформации, как правило, вступает в противоречие с их обрабатываемостью резанием. Вместе с тем на современных автоматизированных линиях массового производства деталей проводятся операции как обработки давлением (обычно это холодная штамповка), так и резанием, поэтому промышленные предприятия проявляют повышенный интерес к полуфабрикатам, сочетающим в себе достаточно высокий уровень обрабатываемости и резанием, и давлением, разумеется, при соблюдении надлежащих прочностных и пластических характеристик, установленных нормативными документами.

При увеличении содержания меди в сплавах рассматриваемой группы от 58 до 70-74% возрастает сопротивление горячей деформации [1], соответственно повышается и усилие прессования заготовок под последующее волочение, что вынуждает либо снижать габариты и соответственно массу заготовок для прессования, либо увеличивать минимально возможные размеры сечения отпрессованных заготовок и тем самым удлинять маршруты волочения. И то и другое отрицательно сказывается на экономических показателях производства. Так, например, при прессовании на горизонтальном гидравлическом прессе (ГГП) усилием 17 МН литых порезанных в меру заготовок диаметром 172 и длиной 380 мм заявителем получены прессованные заготовки следующих минимальных диаметров (мм) и достигнуты соответствующие им максимальные коэффициенты вытяжки для сплавов:

ЛС59-1 6,0 822 Л63 10,2 284 ЛС63-3 16,0 116 Л68 19,0 82,

то есть четко проявляется обозначенная выше закономерность.

Дополнительным подтверждением вышесказанному служит сравнение стойкости игл (шт. прессовок) при прессовании трубных заготовок [5, табл.59] в зависимости от марок прессуемых латуней и инструментальных сталей, из которых выполнены иглы:

  3Х2В8Ф 4Х4ВМФС 4Х3М2ВФ Л 63 160-180 300-350 250-300 Л 96 100 115 100

Целесообразность получения прессованных заготовок минимального сечения диктуется реальностью снижения числа последующих проходов волочения для получения готового изделия. С другой стороны, при негативном влиянии увеличения содержания меди в рассматриваемых латунях, за счет более полной реализации физико-механических свойств сплавов вполне достижимо (как будет показано далее) повысить единичные и суммарные степени холодной деформации и, следовательно, сократить количество волочений и промежуточных отжигов.

Получение требуемых нормативными документами механических характеристик прутков и проволоки из свинцовых латуней особых затруднений не вызывает, если в качестве исходных сырьевых материалов используют свежие металлы, то есть плавку проводят без подшихтовки (или с минимальной подшихтовкой) отходами производства. Однако возникает серьезная проблема соблюдения стабильного технологического регламента, если использовать сырье с минимальной стоимостью, достигаемой за счет ввода в шихтовые материалы ломов.

В качестве прототипа выбран способ получения волочением прутков и проволоки, содержащий в качестве термических операций промежуточные рекристаллизационные (полные) отжиги [4]. Согласно известному способу волочение заготовки осуществляют за несколько проходов с промежуточными рекристаллизационными отжигами между ними при температуре 550-700°С, аналогично проводят предотделочное волочение с последующим предотделочным отжигом при той же температуре, цикл завершают операцией отделочного волочения. При такой технологической схеме требуемые механические свойства получают путем выбора оптимальной степени деформации (коэффициента вытяжки) при отделочном (чистовом) волочении.

Существенным недостатком известного способа является то, что при использовании в качестве шихтовых материалов разносортных ломов, начиная с определенного процентного содержания в шихте ломов проявляется значительная нестабильность (большой разброс) прочностной характеристики - предела прочности

σ_в и недостижение надлежащего уровня пластической характеристики - относительного удлинения δ. Так, например, для прутков из латуни ЛС58-2 согласно ТУ эти свойства должны составлять: σ_в≥490,5 МПа и δ=10-20%. Фактически получали σ_в=570-590 МПа (что формально отвечает требованиям ТУ), но при таких завышенных значениях σ_в относительное удлинение снижалось до величин δ<10%, которые выходят за нижний предел, оговоренный техническими условиями на данный вид продукции.

Вследствие этого практически под каждую шихтовку приходится подбирать степени холодной деформации (варьировать режим обжатий) при волочении, обеспечивающие заданные характеристики продукции, что весьма затруднительно с учетом широкого марочного и размерного сортамента выпускаемых изделий. Практикой промышленного производства установлено, что для целесообразного «освежения сплава» (термин металлургов-плавильщиков) содержание в ломах меди и простых (двойных) латуней должно быть не менее 30-35%, разумеется, при условии, что содержание вредных примесей в ломах находится в пределах, оговоренных марочными стандартами. Конкретно: после получения слитка сплава, выплавленного с участием определенной группы и соответствующего количества ломов, его резки и прессования заготовки с получением так называемого контрольного бунта, проводят его опытное волочение по всему маршруту до готового диаметра проволоки с контролем ее механических свойств. При достижении удовлетворительных результатов характеристик проволоки, протянутой из контрольного бунта, принимают решение о запуске промышленной партии металла. В случае неудовлетворительного результата в режим обжатий вносят необходимые изменения и вновь ведут волочение контрольного бунта до получения механических свойств. Трудоемкость и значительная продолжительность приведенного цикла операций очевидны и в дополнительном комментарии не нуждаются.

Задачей предлагаемого способа деформационно-термической обработки изделий из свинцовых латуней является достижение стабильного уровня механических свойств - предела прочности и относительного удлинения изделий в заданных интервалах при использовании в качестве шихтовых материалов до 65-70% ломов и отходов производства.

Указанная задача решается тем, что в качестве предотделочной термообработки применяют нормализацию при температуре 200-250°С и выдержке при этой температуре от 1-го до 2-х часов; кроме того, отношение коэффициентов вытяжки в предотделочном и отделочном проходах устанавливают в интервале 1,09-1,17.

Технологическая схема согласно предлагаемому способу, в отличие от известного, содержит в качестве предотделочной термообработки нормализацию, то есть низкотемпературный отжиг, что обеспечивает стабильное, проверенное практикой на промышленных партиях проволоки диаметром 4,0-8,0 мм и прутков диаметром 5,0-16,0 мм восстановление пластических свойств сплавов до уровня, достаточного для отделочной деформации без появления каких-либо признаков разрушения. При этом в процессе нормализации несущественно (на 30-50 МПа) снижается предел прочности, который тем не менее при отделочном волочении с регламентированной вытяжкой надежно достигает значений, отвечающих требованиям стандарта. В [1, с.145] указано, что низкотемпературный отжиг, в частности полуфабрикатов из латуни марки ЛС59-1, имеет целью снятие внутренних напряжений и должен проводиться при t=285°С. Представляется, что жесткая фиксация температуры (285°С) не совсем корректна с учетом существующих производственных условий, для которых необходимо указывать интервал значений температуры (например, в варианте t_н…t_в, где t_н и t_в - нижняя и верхняя границы интервала; либо в виде t±Δt, где ±Δt - допускаемые в условиях реального производства отклонения в верхнюю или нижнюю сторону от номинального значения температуры t). Опытно-промышленное исследование, проведенное заявителем, показало, что температурный интервал нормализации, принятый согласно предлагаемому способу равным 200-250°С, вполне достаточен для решения поставленной задачи, что подтверждено практическими данными действующего производства и представленным далее обоснованием.

Известно [2], что при кристаллизации сплавов свинец либо располагается в виде включений по границам зерен, либо выделяется в элементарной форме и обнаруживается на микрошлифах в виде мелких темных включений [3]. Это положительно сказывается при механической обработке и отрицательно - при холодной деформации, так как снижается максимально допустимая степень деформации; что касается горячей деформации, в частности прессования, то указанные особенности выделения свинца часто приводят к появлению поверхностных трещин даже при строгом соблюдении температурно-скоростного режима прессования.

При рассмотрении поведения свинцовых латуней после холодной деформации (волочения) и отжига выявляется ряд особенностей, порожденных фазовым и структурным состоянием сплавов. Если из структуры анализируемых свинцовых латуней условно удалить свинец, то виртуально получаются двойные латуни с содержанием меди 58-74%. В начальном этапе нагрева (после предварительной холодной деформации таких латуней) до 200-250°С наблюдается рост предела прочности на 5-10%, что, по всей вероятности, вызвано прохождением процессов первой стадии отжига, а именно - снятием остаточных напряжений [1, рис.72, 74, 79].

Кроме того, известно, что температура полного разупрочнения металла или сплава Т_разупр=0,8 Т_пл, где Т_пл - температура плавления, выраженная в градусах шкалы Кельвина. Температура плавления свинца равна 327+273=600°С, следовательно, его Т_разупр=0,8·600=480К, или 480-273=207°С. Таким образом, интервал 200-250°С, с учетом обеспечения точности его поддержания в условиях реального производства, представляется вполне обоснованным.

Анализ поведения свинца в этом интервале температур приводит к выводу о его полной рекристаллизации, однозначно сопровождающейся падением его предела прочности. На диаграммах зависимости предела прочности от температуры отжига для этих сплавов представлен суммарный результат, показывающий отсутствие роста предела прочности при температурах 200-250°С за счет снижения прочности межзеренных включений («прослоек») свинца [1, рис.163, 167, 171]. Обоснование длительности выдержки естественным образом следует из практических данных, реализованных в действующем производстве с целью прохождения полной рекристаллизации скоплений свинца, а именно: при поддержании температуры вблизи верхнего предела (250°С) выдержка должна составлять приблизительно 1 час (или немного более), для нижнего температурного предела (200°С) ее следует повышать до 2-х часов. Выявленные закономерности присущи практически всем широко применяемым свинцовым латуням как российских марок ЛС59-1, ЛС58-2, ЛС63-3, так и следующих зарубежных марок: CuZn40Pb2 и CuZn39Pb3 (no DIN), или CW617N и CW614N (по ENBS).

Отношение коэффициентов вытяжки в предотделочном и отделочном проходах, установленное согласно предлагаемому способу в интервале 1,09-1,17, обосновывается следующим несложным расчетом. Из многочисленных производственных данных заявителя известно, что при использовании в составе шихты до 65-70% разносортных ломов для изделий из наиболее широко распространенных марок свинцовых латуней ЛС59-1 и ЛС58-2 вытяжку в предотделочном проходе принимают λ_пред=1,2-1,4, а вытяжку в отделочном проходе назначают λ_отд=1,1-1,2, причем с учетом масштабного фактора для готовой проволоки повышенных диаметров (d>5 мм), а также прутков предпочтительно использование нижних пределов λ_пред и λ_отд (1,2 и 1,1); верхние пределы λ_пред и λ_отд (1,4 и 1,2) относятся к проволоке пониженных диаметров (d≤5 мм). Следовательно, в том и другом случае получаются следующие отношения:

для d>5 мм λ_пред/λ_отд=1,2/1,1=1,0909≈1,09;

для d≤5 мм λ_пред/λ_отд=1,4/1,2=1,1666≈1,17,

то есть такие, которые приведены в формуле предлагаемого изобретения.

Таким образом, обоснование нижних и верхних пределов интервалов λ_пред и λ_отд проведено наиболее естественным способом, основанным на использовании накопленной многолетней эмпирической информации; поэтому вполне логично, что по аналогии сформированы нижняя и верхняя границы интервала отношения

λ_пред/λ_отд, равные соответственно 1,09 и 1,17.

Что касается латуни марки ЛС63-3, из которой производится проволока диаметром от 1 до 10 мм, то для получения проволоки полутвердого и твердого состояний вытяжку в отделочном проходе назначают соответственно 1,15 и 1,25, и тогда для этих состояний:

λ_пред/λ_отд=1,25/1,15=1,09;

λ_пред/λ_отд=1,36/1,25=1,09,

то есть полученные отношения λ_пред/λ_отд находятся в указанном выше интервале 1,09…1,17. Для проволоки из латуни ЛС63-3 особотвердого состояния принимают вытяжку λ_отд=1,45, однако при такой высокой степени деформации, реализуемой в процессе однопроходного волочения, на проволоке довольно часто появляются поверхностные трещины, поэтому этого значения вытяжки достигают, как правило, за два прохода волочения (без проведения предотделочного отжига между ними) при λ_пред=1,26 и λ_отд=1,45/1,26≈1,15. Следовательно, и для проволоки из латуни ЛС63-3 особотвердого состояния заявленный в формуле интервал отношения λ_пред/λ_отд=1,09-1,17 также соблюдается, поскольку 1,26/1,15=1,096.

Совокупность существенных признаков, сходных с наиболее близким аналогом:

- получение заготовки холодной пластической деформацией в несколько проходов [4, с.113-115, с.126];

- промежуточные полные рекристаллизационные отжиги при температуре 550-700°С [4, с.173];

- предотделочная холодная пластическая деформация [4, с.113-115, с.126];

- предотделочная термическая обработка в виде низкотемпературного отжига при температуре 285°С, выдержка не установлена [1, с.145];

- отделочная холодная пластическая деформация с коэффициентом вытяжки 1,25-1,47, или обжатием 20-32% [4, с.110];

- отношение коэффициентов вытяжки при предотделочной и отделочной деформациях - не установлено.

Совокупность отличительных признаков, влияющих на получение технического результата:

- предотделочную термическую обработку в виде низкотемпературного отжига осуществляют при температуре 200-250°С с выдержкой в течение 1-2 часов;

- отношение коэффициентов вытяжки при предотделочной и отделочной деформациях устанавливают в интервале 1,09-1,17.

В качестве примера конкретной реализации предлагаемого способа ниже приведена в кратком изложении технологическая схема производства круглых прутков диаметром 6 мм из сплава ЛС58-2.

Из шихты, содержащей до 65-70% ломов или отходов собственного производства и около 30% ломов двойных латуней или отходов (ломов) меди, проводят плавку в печи ИЛК-1,5 и полунепрерывным методом отливают слитки диаметром 165 мм, которые режут на мерные заготовки длиной 420 мм. Заготовки прессуют при температуре 720°С на ГГП усилием 17 МН на бунтовую заготовку диаметром 7,8 мм, которую подвергают травлению в 5-15%-ном растворе серной кислоты с последующей промывкой в холодной и горячей воде и сушкой. Бунты заготовки протягивают на волочильной машине В 1/550 с диаметром 7,8 на диаметром 7,2 мм, после чего отжигают в конвейерной печи с водяным затвором при температуре 730-750°С со скоростью движения цепи 5,7 м/ч. Отожженную заготовку протягивают на волочильной машине В 1/550 до диаметра 6,4 мм. Поскольку заготовка диаметром 6,4 мм является предотделочной для прутков диаметром 6,0 мм, то ее подвергают низкотемпературному отжигу (нормализации) при температуре 230±20°С и выдержке при этой температуре в течение 1,5 ч ± 15 мин, то есть параметры нормализации полностью соответствуют формуле заявленного способа. Окончательно чистовое (отделочное) волочение с диаметром 6,4 на диаметром 6,0 мм проводят на автоматизированной линии «Шумаг 6-20», в которой совмещены следующие операции: размотка бунта заготовки, острение ее переднего конца, предварительная правка в РПМ с вертикальными осями роликов, затем в РПМ с горизонтальными осями роликов, волочение, повторная правка, резка в меру, окончательная правка-полирование, укладка готовых прутков в приемный карман. Отношение коэффициентов вытяжки в предотделочном и отделочном проходах

λ_пред/λ_отд=(7,2/6,4)²:(6,4/6,0)²=1,11,

следовательно, оно находится в интервале 1,09-1,17 согласно заявленному способу.

Полученный технический результат от использования предлагаемого технического решения можно проиллюстрировать следующим примером. Согласно ТУ прутки диаметром 6-12 мм из сплава ЛС58-2, относящиеся к одному из наиболее часто заказываемых видов продукции предприятиями машиностроительного комплекса, должны иметь следующие механические свойства: σ_в≥490,5 МПа; δ=10-20%. При применении технологических режимов производства прутков по способу-прототипу получали: σ_в≥569-598 МПа; δ=7-8%, то есть при существенно завышенных значениях σ_в величина δ не укладывалась в нормированный интервал. При использовании технологического регламента согласно формуле заявленного способа механические свойства готовых прутков всех без исключения промышленных партий составляли: σ_в≥510-550 МПа; δ=12-18%, то есть полностью удовлетворяли требованиям технических условий; прутки продуктивно использовались предприятиями-потребителями.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.

2. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1970. 364 с.

3. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов/под ред. Л.Е.Миллера. М.: Металлургиздат, 1961. 872 с.

4. Ерманок М.З., Ватрушин Л.С. Волочение цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1988. 288 с.

5. Шевакин Ю.Ф., Грабарник Л.М., Нагайцев А.А. Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1987. 246 с.

6. Пресняков А.А. и др. Латуни. М.: Металлургия, 1969, 108 с.

7. Федоров В.Н., Ефремов Б.Н., Лаврентьев М.И. и др. Цветные металлы №6, 1982. С.83-84.

8. Белоусов Н.П., Кондрашова В.Ф., Стрельцов Ф.Н. Цветные металлы №5, 1988. С.92-94.

9. Титарев Н.Я., Демченко П.И. Цветные металлы №7, 1992. С.66-68.

10. Козловских Н.Ф., Котельников В.П., Свинин В.И. и др. Цветные металлы №3, 2000. C.112-114.

Изобретение относится к производству изделий и полуфабрикатов, в частности прутков и проволоки, из свинцовых латуней. Заготовки из свинцовых латуней, полученные холодной пластической деформацией в несколько проходов с промежуточными полными рекристаллизационными отжигами при температуре 550-700°С, подвергают предотделочной холодной пластической деформации, предотделочной термической обработке и отделочной холодной пластической деформации. Предотделочную термическую обработку осуществляют при температуре 200-250°С с выдержкой в течение 1-2 часов. Отношение коэффициентов вытяжки при предотделочной и отделочной деформациях устанавливают в интервале 1,09-1,17. Достигается стабильный уровень механических свойств - предела прочности и относительного удлинения изделий - в заданных интервалах при использовании в качестве шихтовых материалов ломов и отходов производства.

Способ производства изделий из свинцовых латуней, включающий получение заготовки холодной пластической деформацией в несколько проходов с промежуточными, полными рекристаллизационными отжигами при температуре 550-700°С, предотделочную холодную пластическую деформацию, предотделочную термическую обработку и отделочную холодную пластическую деформацию, отличающийся тем, что предотделочную термическую обработку осуществляют при температуре 200-250°С с выдержкой в течение 1-2 ч, а отношение коэффициентов вытяжки при предотделочной и отделочной деформациях устанавливают в интервале 1,09-1,17.