Подписка
Автор: 
А. К. Николаев

АКТУАЛЬНОСТЬ
Вряд ли в настоящее время найдутся специалисты или предприятия машиностроения и металлургии, авиационной и космической техники, электроники и электротехники, которые бы не убедились в преимуществах низколегированных медных сплавов перед нелегированной медью.
Высокие прочностные свойства и жаропрочность, отсутствие водородной болезни и коррозионная стойкость, свойственная меди, незначительное снижение тепло- и электропроводности по сравнению с медью, высокая технологичность при обработке давлением, сварке и пайке — вот основные особенности низколегированных медных сплавов. Отсюда их высокая работоспособность и эффективность при использовании в качестве электродов сварки сопротивлением (контактной точечной, шовной, рельефной, стыковой), различных теплообменных агрегатов, в том числе камер сгорания жидкостных реактивных двигателей, радиаторов в машиностроении, кристаллизаторов полунепрерывного и непрерывного литья цветных и черных металлов и сплавов, троллейных проводов на транспорте, деталей электродвигателей, термостойких проводников электрического тока и кабелей, контактов и токопроводящих пружин, рамок интегральных микросхем, пресс-форм и штампов, штепсельных разъемов и др. [1]. Активно работая в этом направлении более 40 лет, институт «Гипроцветметобработка» — по сути, единственная организация в стране подобного направления научного и технического плана — проводил комплексные исследования, связанные с проблемами теоретических основ легирования таких сплавов, их всесторонними исследованиями и испытаниями, разработкой составов и технологии производства
полуфабрикатов.
В результате были оптимизированы составы известных композиций (например, медь-хром и медь-хром-цирконий), а также разработаны более 25 новых составов, большинство из которых были доведены до внедрения в промышленность. Для решения ряда конкретных задач, связанных с особенностями эксплуатации сплавов, в их составе, кроме известных базовых композиций с хромом, никелем, оловом, кремнием, цирконием и фосфором, использовали новые для медных низколегированных сплавов легирующие элементы. В их числе ниобий, ванадий, титан, литий, индий, бор, магний, кадмий, кобальт, железо, алюминий [1].
Абсолютное большинство разработанных сплавов относится к числу дисперсионно твердеющих, т.е. приобретают оптимальное сочетание механических, физических и эксплуатационных свойств после термической и термомеханической обработки. Термическая обработка включает в себя закалку от предельно высоких температур в воде и старение при средних температурах, в зависимости от состояния закаленного материала [2]. Очень важным положительным фактором является то обстоятельство, что все разработанные отечественные сплавы не содержат в своем составе чрезвычайно токсичного бериллия, и в этом плане они полностью удовлетворяют современным экологическим требованиям.
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
Низколегированные медные сплавы, естественно, имеют особенности формирования химического состава, технологии производства, начиная от плавки сплава, литья слитков или непосредственно деталей, горячей и холодной деформации, термической или термомеханической обработки и кончая сочетанием свойств и особенностями изготовления изделий из них (сварки, пайки, формообразования, гальваники и т. д.) [1]. Главная задача исследователя в этом плане должна сводиться к максимальной рациональности и эффективности, минимальной трудоемкости  производства. Известно [1], что абсолютное большинство примесей в меди повышают ее электросопротивление и температуру рекристаллизации (разупрочнения). Однако такой подход при синтезировании новых современных сплавов достаточно примитивен, хотя системы, такие как Cu-Cr,
Cu-Zr, Cu-Ag, Cu-Cd, Cu-Ti, Cu-Te до сих пор занимают твердые позиции в ряду низколегированных медных сплавов.
Усложнение составов сплавов вместе с совершенствованием их структуры путем оптимизации термомеханической обработки (для дисперсионно-твердеющих сплавов) — вот наиболее современный и перспективный путь синтезирования новых эффективных сплавов [2]. Перед металловедами практически никогда не ставятся условия разработать оригинальную композицию сплава. Современное машиностроение, электротехника и другие области техники, перед которыми стоит задача снизить металлоемкость конструкций, повысить их надежность, долговечность, а также нагрузки и рабочие температуры изделий, выдвигают требования перед металлургами об организации производства полуфабрикатов с более высоким сочетанием свойств. Таким образом, главное в этой проблеме — реализация поставленных требований в промышленном масштабе. В современных условиях будет ли внедрен в промышленное производство новый или модифицированный сплав, покажет выполнение каждого из следующих условий: существенное преимущество в свойствах перед аналогами по применению, обоснованность усложнения состава или технологии обработки, хорошая воспроизводимость состава от плавки к плавке и свойств от партии к партии, достаточно широкие интервалы легирования и пределы параметров технологии, высокая рентабельность металлургического производства различных полуфабрикатов
из сплава.
При этом решение о разработке нового сплава следует принимать после всесторонней оценки других возможностей повышения свойств уже освоенных промышленностью сплавов, когда нельзя изменением обычной схемы термической и механической обработки дисперсионно твердеющих сплавов существенно повысить их прочность [3].

Конечно, низколегированные медные сплавы нельзя отнести к числу основных, если ориентироваться только на общий тоннаж медных сплавов, выпускаемых предприятиями цветной металлургии. Однако, если учитывать возрастающее с каждым годом потребление различными отраслями промышленности полуфабрикатов из меди, общее стремление к чистоте выпускаемой меди при одновременном увеличении технологических и рабочих температур изготовления и эксплуатации многих изделий, то значимость низколегированных медных сплавов резко возрастает. Связано это с тем большим эффектом, который оказывают сравнительно небольшие добавки легирующих элементов на такие важные свойства меди как температура рекристаллизации, прочностные свойства, жаропрочность и жаростойкость. В свою очередь это приводит к значительному увеличению долговечности изделий, изготовленных из сплавов, если сравнивать их с медными.
В целом ряде случаев низколегированные медные сплавы являются единственными материалами, обеспечивающими необходимую работоспособность изделий и в принципе являются необходимым условием создания изделий новой техники. Дело в том, что важнейшим свойством этих сплавов (их привилегией) является высокие (соизмеримые с медью) тепло- и электропроводность. Поэтому заменить их другими медными сплавами или сплавами иных основ нельзя. Здесь целесообразно привести высказывание генерального конструктора ракетных двигателей академика Валентина Петровича Глушко: «Существенно более высокие характеристики ракетного двигателя были достигнуты лишь тогда, когда в местах огневой стенки, наиболее напряженных в тепловом отношении, использовали жаропрочную высокотеплопроводную бронзу, а в менее  напряженных — сталь, титан, другие металлы» [4].
ЧТО ИМЕЕМ
Вернемся на четверть века назад, когда в Советском Союзе творил тысячный коллектив института «Гипроцветметобработка», который возглавлял это направление и проводил комплексные работы, начиная от синтеза новых сплавов с параметрами свойств, продиктованными промышленностью, разработкой и внедрением на заводах технологии их производства, контроля качества этого производства и кончая решением вместе с многочисленными заказчиками всего комплекса проблем, возникающих при оформлении документации на использование новых сплавов, совместного контроля качества поставляемой с заводов ОЦМ продукции и ее рационального использования. В основном тремя заводами отрасли обработки цветных металлов (ОЦМ): — ЛПО «Красный Выборжец», Каменск-Уральским заводом ОЦМ (К.-У. ЗОЦМ) и «Экспериментальным заводом качественных сплавов» института «Гипроцветметобработка» (ЭЗКС) только в период с 1980 по 1989 гг. ежегодно производилось от 6 до 8 тысяч тонн проволоки, прутков, труб, лент, полос, листов и плит из низколегированных медных сплавов.
Что же осталось на сегодняшний день? Институт (теперь ОАО «Институт Цветметобработка») «преобразуясь и сокращаясь», растерял квалификацию и профессионализм вместе с сотрудниками и, как говорится, «восстановлению не подлежит». Флагман отрасли обработки цветных металлов — завод «Красный Выборжец» также «преобразуясь многократно» и теряя профессионализм, производит, может быть, пятнадцатую или двадцатую часть былой продукции из таких сплавов. К.-У. ЗОЦМ, снизив качество продукции, растерял часть потребителей, но, однако, существует и потенциально, видимо, способен тряхнуть стариной. ЭЗКС сначала отделился от института, а затем, утрачивая кадры и заказчиков, прекратил свое существование.
Вместе с реорганизацией промышленности уже Российской Федерации резко сократились как объемы потребления продукции из низколегированных медных сплавов, так и их производство. Многие предприятия перешли на использование полуфабрикатов и целых изделий импортного производства. Однако остались без металла необходимого высокого качества потребители продукции ЭЗКС. Потребность от десятков килограмм до нескольких тонн и все из наукоемких и зачастую сложных по составу и сочетанию свойств сплавов. Решая проблему обеспечения Московской монорельсовой дороги износостойкими троллеями сложного профиля из одного из низколегированных медных сплавов, группа малых металлургических предприятий, руководствуясь желанием полностью воссоздать производство теперь уже бывшего «Экспериментального завода качественных сплавов» всех сложных сплавов и весь номенклатурный ряд металлопродукции, сохранить знания, накопленные поколениями ученых, технологов, рабочих, объединились в предприятие, организационно и экономически связанное в единую технологическую схему под общим идейным и профессиональным руководством.
Речь шла о полном металлургическом цикле получения полуфабрикатов (проволоки, прутков, сложных профилей, фольги, лент, полос, поковок, фасонного литья, плит), начиная с выплавки уникальных лигатур и собственно сплавов, литья слитков, их обработки и заканчивая горячим и холодным деформированием, термической и термомеханической обработкой. Воссоздать, а практически начать заново такое производство оказалось делом весьма непростым. Нужно было сохранить оборудование, обеспечить производство продукции соответствующими площадями, привлечь для выполнения работ профессионалов, приобрести или арендовать новое или более совершенное оборудование [5].
На сегодняшний день производство бывшего ЭЗКС полностью восстановлено как в номенклатурном плане, так и в количественном. Участвуя активно в проблеме импортозамещения, металлургические предприятия готовы обеспечить отечественную промышленность металлопродукцией из рассматриваемых сплавов в полном объеме. А раз так, то настало время вновь обратиться к особенностям этих сплавов тем более, что процесс импортозамещения — это, судя по всему, не разовая акция, а серьезная и продолжительная во времени задача.
ТРЕБОВАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Большой экономический и технический эффект, который может обеспечить применение низколегированных медных сплавов в самых разнообразных отраслях промышленности, привлекает к ним огромное внимание исследователей во многих странах мира. Анализ научно-технической информации за последние 25 лет и патентной информации за последние 50 лет по данной теме показал, что к настоящему времени имеется более 1000 публикаций и около 800 патентов и авторских свидетельств. Только в СССР по 50 стандартам и техническим условиям серийно выпускалось более 40 различных сплавов такого типа. Наиболее широкое применение имеют хромовая, кадмиевая, хромо-циркониевая, кремний-никелевая, кобальт-бериллиевая и некоторые другие бронзы. Имеются сплавы и единичного назначения, выпускаемые в ограниченном объеме.
Чрезвычайно большая номенклатура сплавов является одной из причин имеющего место их дефицита, сложностей металлургического производства (трудности использования отходов непосредственно в плавку, большое количество холостых промывных плавок при переходе со сплава на сплав, сложность унифицирования и оптимизации технологии плавки и литья и т. д.), снижения рентабельности производства и потребления.
С другой стороны, дефицит сплавов является причиной использования меди там, где наиболее рационально применение сплавов. Это влечет за собой перерасход меди — металла, само по себе чрезвычайно дефицитного, снижение ресурса работы изделий, их качества и надежности.
Представляют интерес некоторые результаты достаточно представительного анкетного опроса мнений предприятий-потребителей различных отраслей промышленности, проведенного в конце 1980-х годов институтом «Гипроцветметобработка».
Почти 70% предприятий применяют или намереваются применять низколегированные медные сплавы как наиболее эффективные для данного назначения, в том числе 25% связывают прогресс в своей отрасли с этими сплавами (назначения сплавов — электроды сварки сопротивлением и другая арматура установок и автоматических линий контактной сварки — 40%; сварные, паяно-сварные и сборные конструкции различного рода теплообменников — 20%; проводники электрического тока, кабели, пружинные контакты, контактодержатели, детали электровакуумных приборов — 10% и др.). Только около 50% предприятий полностью обеспечиваются теми сплавами, которые им были рекомендованы как наиболее эффективные для данного назначения. В то же время более 70% предприятий планируют увеличение их потребления. Качеством поставляемых полуфабриктов из низколегированных медных сплавов удовлетворены полностью лишь 33% предприятий. Остальные предъявляют претензии, связанные с отсутствием термической обработки, качеством поверхности, наличием неметаллических включений, расслоений, прессутяжин, неравномерности свойств по длине полуфабриката и т. д.
Большинство предприятий (около 80%) считают, что номенклатуру сплавов следует сократить. Однако, каждый второй ответ был связан с необходимостью разработки новых сплавов. Это же мнение преобладает, когда речь идет о целесообразности проведения соответствующих исследовательских работ. Кажущееся противоречие связано с тем, что, с одной стороны, много однотипных по свойствам и различных по составу сплавов, а с другой — есть области техники, не обеспеченные соответствующими материалами (имеется в виду не состав — потребителю все равно, а необходимый уровень свойства или сочетания свойств). В то же время особо следует отметить, что удовлетворительно используют полуфабрикаты (коэффициенты использования более 80%) только 15% предприятий. Причем, 30% потребителей не без оснований связывают недопустимо низкий коэффициент с недостатками металлургической технологии производства полуфабрикатов (большие допуски на размеры, немерность заготовок, поставка необрезных плит и т. д.). Отрадно, что более 50% предприятий принимают меры по повышению эффективности использования материалов.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ
Как видно, положение с производством и потреблением низколегированных медных сплавов и основные проблемы, вытекающие из этого, являются типичными для большинства металлических материалов. Однако в отличие от многих других, низколегированные медные сплавы имеют свои особенности, к числу основных из которых относятся технологичность при обработке давлением. Высокая пластичность в широком температурном интервале абсолютного большинства подобных сплавов обеспечивает практически беспрепятственную горячую и холодную прокатку, ковку и штамповку, прессование, волочение. Вообще, выбор таких параметров технологии как дробность деформации, степень деформации по проходам, суммарная степень деформации и т. д., в данном случае больше зависит от возможностей соответствующего оборудования, чем
от состава сплава.
Поэтому, когда обсуждаются вопросы технологии производства низколегированных медных сплавов или их технологичности в металлургическом производстве, имеется в виду, прежде всего, технологичность плавки, литья и термической обработки. Технологичность, как способность к промышленному производству в данных конкретных условиях (наличие определенного оборудования, требования к качеству и стоимости полуфабрикатов, принятая схема производства, уровень производственной дисциплины и культуры и т. д.) и качество полуфабрикатов во всем многообразии его проявления, понятия взаимосвязанные.
Вообще, если говорить о низколегированных медных сплавах, то реализация полунепрервного литья слитков на канальных индукционных печах и ЭШП части из них решает основной комплекс принципиальных вопросов технологии плавки и литья [3]. Понятие качества полуфабрикатов в основном включает определенные требования к химическому составу по основным компонентам и примесям, чистоте поверхности и точности изготовления (регламентируются практически любой технической документацией), а также по отсутствию внутренних дефектов, свойствам (отдельная задача).
Специфика низколегированных медных сплавов и уровень развития дефектоскопии тяжелых цветных металлов в отечественной промышленности таков, что не позволяет, за редким исключением, проводить неразрушающий контроль качества слитков, толстого плоского проката, крупногабаритных труб и прутков и т. д., хотя брак по внутренним дефектам, например, в плоском прокате из хромовой бронзы (наиболее распространенном низколегированном медном сплаве) может составлять довольно значительную цифру — до 7%. Если вопросы плавки и литья, контроля качества слитка и проката, выходов годного, производительности являются в какой-то части внутренним делом завода — поставщика полуфабрикатов, то уровень достигнутых сдаточных свойств определяет эксплуатационные свой-
ства материала. Как известно, наиболее перспективными из низколегированных сплавов являются дисперсионно твердеющие сплавы. Сплавы этого типа имеют наилучшее сочетание физических, механических, а, следовательно, и эксплуатационных свойств после термической либо
термомеханической обработки (ТМО), важнейшими операциями в которых являются закалка на пересыщенный твердый раствор и старение. По существу, в справочной литературе приводятся свойства после такой обработки [1]. Однако на практике термическая обработка этих сплавов применяется далеко не всегда и на заводах-поставщиках, и на предприятиях потребителей. В отсутствие термической обработки (применение в холоднодеформированном, горячедеформированном, отожженном, нормализованном состояниях) свойства сплавов будут в 1,5–4 раза ниже того уровня, который в принципе может обеспечить тот или иной состав. Подобное положение является одной из причин нерационального расходования материалов, их дефицита. При этом необходимо учитывать еще одну важную особенность низколегированных медных сплавов — хорошую корреляцию между многими физическими, механическими и эксплуатационными свойствами (связи являются статистически значимыми даже при доверительной вероятности 99,9%). Например, если сплав эксплуатируется при высоких температурах, то важнейшими в этом случае (эксплуатационными свойствами) являются одни из показателей жаропрочности (пределы прочности и текучести при повышенных температурах, кратковременная и длительная горячая твердость). В справочнике [1] показаны примеры графов корреляционной связи между свойствами, определенными при комнатной температуре, и показателями жаропрочности. Или полностью закореллированный граф между удельным электросопротивлением и теплопроводностью при комнатной температуре и удельным электросопротивлением, замеренным в интервале температур
200–700°С [1]. Это значит, что для указанных свойств, впрочем, как и для некоторых других (модули упругости и сдвига, показатели пластичности, коэффициенты линейного расширения и др.) по одному из определенных экспериментально свойств (например, при комнатной температуре) можно достаточно надежно и точно рассчитать все остальные. То есть число определяемых физических и механических свойств сплавов, от которых зависят их эксплуатационные свойства, может быть значительно сокращено, вплоть до сдаточных свойств, регламентированных технической документацией. Поэтому, повышая уровень сдаточных свойств путем изменения состава сплава, либо применяя тот или иной режим термической обработки, можно гарантировать в ряде случаев необходимую высокую работоспособность изделий.
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ
Особо следует остановиться на тех резервах свойств, которые таит в себе оптимизация режимов термической и термомеханической обработки. Во-первых, совершенно очевидной является необходимость применять во всех случаях термическую обработку дисперсионно твердеющих сплавов по тем режимам, которые достаточно точно определены для каждого из них [1,2]. Можно утверждать, что, например долговечность сварных кристаллизаторов из хромовой бронзы существенно возрастет после того, как они будут после сварки (до механической обработки) закалены и состарены. То же самое можно сказать о заготовках под электроды сварки сопротивлением.
Во-вторых, в некоторых случаях при повышении требований к механическим свойствам таких полуфабрикатов как тонкая проволока, лента, фольга, можно обойтись без усложнения состава сплава или разработки новой композиции. Технология изготовления этих полуфабрикатов допускает осуществление довольно значительных степеней деформации при волочении или холодной прокатке. Поэтому имеется возможность за счет изменения обычной схемы термической и механической обработки дисперсионно твердеющих сплавов существенно повысить их прочность.
В-третьих, необходимо развитие совмещенных способов производства термообработанных полуфабрикатов (совмещение закалки с горячей деформацией при прокатке или прессовании, совмещение закалки с литьем, например, на установках непрерывного литья, и деформации). В этих случаях из технологической схемы производства полуфабрикатов может быть исключена такая трудоемкая операция, как закалка, требующая к тому же и соответствующего, довольно сложного, печного оборудования. Здесь в первую очередь необходимо отдавать предпочтение таким сплавам, состав которых обеспечивает необходимое для дальнейшего распада при старении пересыщение твердого раствора в процессе охлаждения заготовок на воздухе после горячего деформирования. К таким сплавам можно отнести сплавы системы Cu-Cr-Zr-Mg и сплавы системы Cu-Ni-Si-Cr [1]. Последнее, кстати, является еще одним доказательством влияния состава сплавов на технологичность в производстве.
Таким образом, отсутствие термической обработки дисперсионно твердеющих сплавов или ее сравнительное несовершенство является одной из причин большой номенклатуры низколегированных медных сплавов. Повышение свойств удовлетворяется зачастую усложнением составов сплавов или разработкой новых вместо того, чтобы решать задачи за счет использования термической обработки или оптимизации ее режимов. В заключение следует еще раз отметить, что полуфабрикаты из низколегированных медных сплавов, естественно, дороже медных и пока дефицитнее. Однако их преимущества компенсируют этот недостаток и позволяют эффективно решать многие технические задачи, связанные с экономией меди и развитием современной техники.
А. К. Николаев, профессор, д. т.н.
ЗАО «Астринсплав СК»
e-mail: nikolaevak 1937@gmail.com

Литература
1. Николаев А. К., Костин С. А. Медь и жаропрочные медные сплавы. Энциклопедический и терминологический словарь. Фундаментальный справочник. — М.: Издательство ДПК Пресс. 2012. – 720 стр.
2. Николаев А. К. Дисперсионное твердение — эффективное направление синтеза конструкционных сплавов.//РИТМ. 2011, № 3. – с. 31–35.
3. Николаев А. К. Повышение качества полуфабрикавтов из цветных металлов. Низколегированные медные сплавы.//Цветные меаллы. 1982, № 3, стр. 50–53.
4. Глушко В. П. Ракетные двигатели ГДЛ-ОКБ. М.: АПН. 1975, 56 с.
5. А. Николаев, С. Костин. Нужны ли качественные сплавы?//Металлоснабжение и сбыт. 2006, № 1, с. 104–106.

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров