Способ упрочнения свинцово-сурьмянистого сплава Советский патент 1990 года по МПК C22F1/12 

(Л

с

Изобретение относится к способам упрочнения свинцово-сурьмяного сплава и может быть использовано для изготовления аккумуляторных пластин на непрерывных производственных линиях. Целью изобретения является повышение прочностных свойств. Способ заключается в обработке сплава давлением, быстрой термообработке сплава, включая закалку в течение отрезка времени, достаточного для активизации упрочняющего механизма в сплаве. Упрочнение происходит за счет получения рекристаллизованной структуры, содержащей более 50% растворимой сурьмы в полосах эвтектоидной фазы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение касается способа упрочнения свинцово-сурьмянистых сплавов, в частности способа быстрой термообработки, который позволяет упрочнять сплавы с особым соотношением компонентов и обрабатывать их на непрерывной производственной линии для изготовления аккумуляторных пластин.

Цель изобретения - повышение прочностных свойств.

Установлено, что прочность свинцово-сурьмянистых сплавов с низким содержанием сурьмы можно увеличить путем специальной обработки сплава, содержащего в соответствующей пропорции мышьяк, причем способ заключается в обработке сплава давлением и быстрой термообработке (включая закалку сплава в течение достаточного отрезка времени) при повышенной температуре для активизации упрочняющего механизма в сплаве, при этом время термообработки по существу меньше, чем в обычном способе термообработки свинцово-сурьмянистых сплавов.

Свинцово-сурьмянистые сплавы, которые можно упрочнять согласно предложенному способу, могут содержать многие элементы, которые применяются в сплавах типа, например, олово, медь, серебро, кадмий, селен и теллурий, при условии, что сурьмы присутствует в количестве свыше 0,5 мас.%, например 0,5-6 мас.%, предпочтительно 0,75 - 3 мас.% и 1-2,5 мас.%, а мышьяк - в количестве 0,002-1 мас.%, предпочтительно 0,05-0, 25 мас.% и 0,1-0,2 мас.%. Мышьяк указанной комбинации с сурьмой играет важную роль в обеспечении упрочнения сплава. Особо отмечается значительное различие в пределе прочности на разрыв после 24-часового стаел

о с&

см

рения, а также то, что предел прочности на разрыв продолжает значительно увеличиваться в сравнении со сплавами, содержащими сурьму в количестве 1 - 2 мас.%, но имеющими более низкие уровни содержания мышьяка, чем в изобретении.

В предложенном способе упрочнение сплава происходит за счет выделения упрочняющей фазы, а ее зарождение облегчается благодаря присутствию в определенном соотношении сурьмы и мышьяка и применению стадии термообработки. Это отличается от обычной обработки на твердый раствор при которой сплав упрочняется за счет продолжительного диффузионного растворения сурьмы при высокой температуре и выделения сверх насыщенного раствора при комнатной температуре. Новый способ термообработки согласно изобретению обеспечивает мало или совсем не обеспечивает упрочнение сплава при низких уровнях содержания мышьяка.

Обработку сплава можно проводить,, применяя известные способы, причем под обработкой давлением или прокаткой, выдавливанием и т.д. подразумевается механическая пластическая Деформация металла, которая включает холодную шга горячую обработку. Из сплава отливают заготовку и прокатывают ее в полосу требуемого размера, пропуская через последовательные валки, при этом каждый валок уменыпа- -ет толщину заготовки из сплава. Режим прокатки с постоянным обжатием в одном направлении прокатки является предпочтительным, поскольку заготовку толщиной, например, 0,75 дюйма (19мм) обжимают до полосы толщиной 0,04 дюйма (10 мм), пропуская заготовки через 11 валков, причем каждый валок последовательно уменьшает толщину заготовки примерно на 25%. Можно также применять другие режимы прокатки.

Термообработку сплава проводят при ременных и температурных условиях, которые не дают результат обычной термообработки на твердый раствор.Об работка на твердый раствор требует диффузионно управляемое растворение выделенной фазы, богатой сурьмой. Такие процессы протекают медленно, причем в зависимости от движения отдельных атомов в твердом состоянии из одного положения кристалла в решетке в последующее. Упрочнение происходит

5

0

5

0

5

0

5

0

55

после закалки, когда сверхнасыщенный раствор выделяется в форме, которая создает напряжение в кристаллической решетке сплава и препятствует движению дислокации.

Термообработка согласно изобретению, включая стадию закалки, когда ее применяют для обработанных свинцово- сурьмянистых сплавов, содержащих в определенном соотношении мышьяк и .сурьму, активизирует реакцию упрочнения средствами, которые еще неизвестны. Установлено, что сурьма в свинцово- сурьмянистых сплавах с низким содержанием мышьяка или без него трудно выделяется и поэтому практически остается в растворе через литье, обработку деформацией и старение, причем обработанные сплавы, даже содержащие в определенном соотношении мышьяк и сурьму, не упрочняются значительно при старении или выдержке. Только когда сплавы термообрабатывают согласно изобретению, они упрочняются, причем считают, что термообработка приводит к образованию метастабильного зародыша, содержащего мышьяк, который упрощает процесс выделения сурьмы.

Берут образцы одного листа холодно- катанного сплава толщиной 0,08 дюйма (1,98 мм), содержащего 2 мас.% сурьмы, 0,2 мас.% мышьяка, 0,2 мас.% олова, остальное - свинец. Лист получают посредством холодной прокатки литого сплава с обжатием на 90% через девять последующих обжатий на 25% за каждый раз. Один холоднокатанный сплав нагревают в жидкой соляной ванне при 230°С в течение 30 с и закаливают в воде, а другой нагревают в жидкой соляной ванне в течение 1 ч при той же температуре и закаливают в воде. Все образцы помещают в смолу и полируют, применяя стандартные механические металлографические способы, сразу после закалки. Образцы травят в смеси уксусной кислоты и НЙ0.

Заметим, что прокатанный сплав по- 1казывает очень мало (и даже нет) уп- рочнение после старения при комнатной температуре. Сплав, полученный согласно изобретению и имеющий полностью рекристаллизованную структуру, причем часть объема зон, богатых сурьмой, такая же, как у прокатанного сплава. Напротив, микроструктура сплава, термообработанного на твердый

раствор (структура рекристаллизова- на с увеличенным ростом зерна) следующая : полосы,богатые содержанием сурьмы, полностью находятся в растворе. Белые точки представляют фазу сенида олова, которая не влияет на процесс закалки.

Термическая обработка на твердый раствор (как она определена согласно AS TM: 44-83) включает нагрев сплава до соответствующей температуры, выдержку при этой температуре достаточное время, чтобы один или несколько компонентов сплава мог присутствовать в твердом растворе, и затем следует достаточно быстрое охлаждение для удержания этих компонентов в растворе. Однако важно-чтобы сплав нагревали до заданной температуры, так как нагрев сплава при заданной температуре не растворяет значительного количества растворимой сурьмы, например менее 50 мас.%, обычно ниже 25 мас.% и ниже 10 мае.%, например 5, 1 % или меньше. Прокатанный сплав, содержит примерно такое же количество крупнозернистой выделенной сурьмы, как и сплав, термообработанный согласно

10

дает хорошие результаты по упрочнению полосы сплава толщиной 0,040 дюйма (1,19 мм). Эквивалентное время нагрева в муфельной печи составляет 2,5 мин. Для полосы толщиной 0,25 дюйма (6,3 мм) время нагрева в соляной ванне в широком диапазоне температур составляет меньше 2 мин и даже 1 мин, а муфельной печи - меньше 8 мин, причем время нагрева изменяется в зависимости от температуры нагрева и толщины сплава. Для полосы сплава толщиной примерно 0,025-0,1 дюйма время нагрева в соляной ванне составляет 1-3 с, преимущественно от 5 или 30 с, до меньше, чем 1 мин, а для муфельной печи оно составляет 1 мин, предпочтительно 2 мин и наиболее предпочти20 тельно меньше 5 мин. При необходимости можно применять более продолжительный нагрев, хотя он обычно не приводит к существенному повышению эффективности обработки. В качестве средств

25 нагрева можно применять мазутный нагрев, индукционный,нагрев сопротивлением, инфракрасный нагрев и т.п. Нап15

ример, нагрев сопротивлением обеспечивает почти мгновенный нагрев, тре- изобретению Это противоположно обыч- 30 бующий 5 с или меньше, хотя можно при- ной термообработке на твердый ра ст- менять более продолжительный нагрев, вор, при которой остается очень мало крупнозернистой выделенной сурьмы. Растворимая сурьма растворяется в свинце до 3,5 мас.%, причем количество ,- свыше 3,5 мас.% нельзя брать для опре- известен способ, при котором ленту из деления, какое количество сурьмы моДля получения обработанного сплава и/или изготовления аккумуляторных пластин можно применять любой известный способ или устройство. Например,

свинца подают в приспособление для раскатки, встроенное в линию, затем следует склеивание, сушка, резка и укладывание в пакет. Известно изготовление готовых пластин для аккумуляторных батарей из прокатанного листового материала посредством: (а)резки и развальцовки для образования открытой пластины,( Ь)штамповки открытой пластины, (с) изготовления пластины взаимоблокированного типа и (d) повторения операции (а) или (Ь) с операцией (с).

жет растворяться согласно предложенному способу

Температура, при которой проводят термообработку, находится между примерно 180°С и температурой ликвидуса сплава, предпочтительно 200-252°С и наиболее предпочтительно 220-245°С. Время, необходимое для доведения сплава до заданной температуры, изменяется в зависимости от толщины сплава, температуры и способа нагрева, причем для более тонких полос из сплава и когда применяют более высокие температуры и/или средства нагрева с высокой скоростью теплопередачи требуется меньше времени для термообработки. Для достижения полного эффекта термообработки по упрочнению сплава необходимо, чтобы сплав был полностью доведен до заданной температуры. Целесообразна обработка в жидкой соляной ванне при 230°С в течение 30 с, что

1579466

0

дает хорошие результаты по упрочнению полосы сплава толщиной 0,040 дюйма (1,19 мм). Эквивалентное время нагрева в муфельной печи составляет 2,5 мин. Для полосы толщиной 0,25 дюйма (6,3 мм) время нагрева в соляной ванне в широком диапазоне температур составляет меньше 2 мин и даже 1 мин, а муфельной печи - меньше 8 мин, причем время нагрева изменяется в зависимости от температуры нагрева и толщины сплава. Для полосы сплава толщиной примерно 0,025-0,1 дюйма время нагрева в соляной ванне составляет 1-3 с, преимущественно от 5 или 30 с, до меньше, чем 1 мин, а для муфельной печи оно составляет 1 мин, предпочтительно 2 мин и наиболее предпочти0 тельно меньше 5 мин. При необходимости можно применять более продолжительный нагрев, хотя он обычно не приводит к существенному повышению эффективности обработки. В качестве средств

5 нагрева можно применять мазутный нагрев, индукционный,нагрев сопротивлением, инфракрасный нагрев и т.п. Нап5

ример, нагрев сопротивлением обеспечивает почти мгновенный нагрев, тре- бующий 5 с или меньше, хотя можно при- менять более продолжительный нагрев, известен способ, при котором ленту из

Для получения обработанного сплава и/или изготовления аккумуляторных пластин можно применять любой известный способ или устройство. Например,

ример, нагрев сопротивлением обеспечивает почти мгновенный нагрев, тре- бующий 5 с или меньше, хотя можно при- менять более продолжительный нагрев, известен способ, при котором ленту из

свинца подают в приспособление для раскатки, встроенное в линию, затем следует склеивание, сушка, резка и укладывание в пакет. Известно изготовление готовых пластин для аккумуляторных батарей из прокатанного листового материала посредством: (а)резки и развальцовки для образования открытой пластины,( Ь)штамповки открытой пластины, (с) изготовления пластины взаимоблокированного типа и (d) повторения операции (а) или (Ь) с операцией (с).

Сплав можно непрерывно отливать, обрабатывать давлением, термообраба- тывать и развальцовывать или штамповать для изготовления пластин, которые собирают прямо в батареи. Если это требуется, то полосу можно сматывать в рулон для хранения и затем ее обрабатывать, либо ее можно сначала обработать, затем смотать в рулон и хранить для последующего применения.

Сплав можно также термообрабатывать после изготовления пластин. Независимо от способа термообработки и изготовления пластин важно, чтобы до термообработки сплав был обработан давлением.

Пример 1. Сплавы (см. таблицу) получали в нагретом графитовом тигле посредством легирования свинца корродирующего типа элементарным мышьяком, сурьмой и оловом. Расплав заливали в графитовую изложницу при 400° С для получения литого блока раз- Нером 5x4x0,75 дюймов.

Отливки отфрезеровали для удаления поверхностных дефектов и затем прокатали при комнатной температуре до толгцины 0,045 дюйма (1,18 мм) в одиннадцати калибрах с обжатием на 25-30% на калибр. От полученной полосы отрезали образцы для химического анализа. Заготовки размером 4x0,5 (101 мм х 12,7 мм) для механической обработки до испытываемых прутков на- резали из полосы в направлении прокатки (продольно). Для резки прутков размером 1-й длины и 0,25 ширины применяли машину Тенсилкат. Термообработку образцов осуществляли в жидкой соляной ванне при 230°С в течение указанного отрезка времени и затем их закаливали путем погружения образцов в воду при комнатной температуре после их удаления из соляной ванны. После этого образцы хранили при комнатной температуре для их старения.Испытание образцов проводили на машине Инстрон при скорости ползуна 0,2 дюйма/мин.

Данные, представленные в таблице, показывают увеличение предела прочности на разрыв свинцовых сплавов, содержащих сурьму и мышьяк в определенном отношении, при применении способа согласно изобретению. Сравнение сплавов 1,2 и 3 с сплавами С, D и Е показывает важность добавки мышьяка для повышения предела прочности в течение 30-секундного периода термообработки. Сплавы А и В показывают не- обходимость в уровнях содержания сурь

мы свыше 0,5 мас.%, причем предпочтительно сплавы содержат 1,8-2 мас.% сурьмы.

II р и м е р, 2. Сплавы 1,3,4,6,7 и 8 нагревали при 180°С в течение 2,5 мин в соляной ванне, при этом достигалось аналогичное улучшение предела прочности при растяжении для заявленных сплавов. Подобным образом нагрев при 252°С в течение 2,5 мин увеличивал предел прочности при растяжении. Сплавы также термообрабатывали, применяя масляную ванну, муфельную печь (нагрев на воздухе) и инфракрасный нагрев при указанных температурах и времени, при этом получали повышенные значения предела прочности при растяжении в отличии от обработки сплавов, имеющих составы вне указанных в настоящей заявке, например сплавы В и Е.

Формула изобретения

5 0

,-п 1.Способ упрочнения свинцово-сурь- мянистого сплава, содержащего 0,756,0мас.% сурьмы,0,005-1 мас.% мышьяка, свинец - остальное, включающий нагрев сплава, обработку давлением и закалку .с последующим старением, отличающийся тем, что, с целью повышения прочностных свойств, обработку давлением проводят прокаткой - перед нагревом в несколько проходов с суммарным обжатием более 50% для получения структуры, содержащей растворимую сурьму в форме полос эвтектоидной фазы, обогащенной сурьмой, а закалку выполняют после нагрева в течение 5с- 2 мин для получения сплава с рекрис- таллизованной структурой, упрочняемой при старении и содержащей более 50% растворимой сурьмы в полосах, обо- 45 гащенной сурьйой эвтектоидной фазы.

5

0

(...) - процент увеличения в сравнении с прокатанным материалом. х 4140(4) Примерно через шесть недель старения при комнатной температуре.