Использование закалки в затвердевающих медных сплавах для электрических применений

Важность закалки в закалке медного сплава нельзя переоценить. Скорость охлаждения определяет, остаются ли легирующие элементы в растворе или преждевременно осаждаются, влияя на конечный баланс прочности, пластичности и проводимости.

Роль композиции из сплава

Необходимые параметры закалки в значительной степени зависят от системы сплавов.

• Брасс (медно-цинковые сплавы): Как правило, не затвердевает с возрастом; закалка используется для отжига или контроля размера зерна. Быстрое охлаждение от температуры отжига может подавлять образование хрупкой фазы β’ в высокоцинковых бюстгальтерах.
• Фосфорная бронза (медно-оловянные сплавы): Некоторые фосфорные бронзы являются осаждаемыми; закалка от высокой температуры сохраняет олово в растворе, позволяя мелким частицам Cu₃Sn или Cu₄Sn образовываться во время старения.
• Бериллийная медь: Классический возрастно-затвердевающий медный сплав. Кунчинг должен быть достаточно быстрым, чтобы сохранить бериллий в растворе. Типичное масляное или водное тушение, в зависимости от толщины сечения.
• Медный хром (Cu-Cr) и медный цирконий (Cu-Zr): Используется для электродов сварки сопротивления и высокопрочных электрических контактов. Быстрое закалывание при высоких температурах раствора помогает удерживать хром или цирконий в твердом растворе для последующего старения.

Понимание фазовой диаграммы сплава и кинетики преобразования имеет важное значение для разработки подходящего утоления. Ассоциация развития меди и ASM International предоставляют обширные ресурсы по термообработке медных сплавов.

Quenching Media: влияние на скорость охлаждения и свойства

Выбор среды для закалки является одной из наиболее важных переменных процесса. Скорость охлаждения от температуры раствора должна быть достаточно быстрой, чтобы подавить нежелательные фазовые превращения, но не настолько быстрой, чтобы вызвать чрезмерное искажение, растрескивание или остаточное напряжение. Три основные категории - вода, масло и воздух (или инертные газы). Каждая из них предлагает различные характеристики охлаждения.

Водный крен

Вода является наиболее агрессивной общей средой для закалки. Ее высокий коэффициент теплопередачи приводит к скорости охлаждения, которая может превышать 1000°С в секунду в тонких секциях. Для медных сплавов закалка воды используется, когда максимальное удержание легирующих элементов в растворе имеет решающее значение, особенно для тонких частей, где риск искажения низок. Однако быстрое охлаждение может вызывать серьезные внутренние напряжения, особенно в сложных геометриях, что приводит к деформации или растрескиванию. Закалка воды также имеет тенденцию производить более высокую твердость по сравнению с другими средами, но может немного снизить пластичность и проводимость, если образуются микротрещины.

Нефтяное закаливание

Масло обеспечивает более медленную, более однородную скорость охлаждения, чем вода, как правило, в диапазоне 200 – 500°С в секунду. Это уменьшает тепловые градиенты и внутренние напряжения, что делает его пригодным для деталей со сложными формами или большими поперечными сечениями. Во многих медных сплавах для сохранения состояния раствора достаточно масляного закалки, особенно для сплавов с более медленной кинетикой осадков, таких как бериллиевая медь. Снижение риска растрескивания часто перевешивает немного меньшую твердость по сравнению с закалкой воды. Специализированные закалочные масла с добавками могут улучшить смачивание и уменьшить образование парового одеяла, повышая консистенцию.

Охлаждение воздуха и инертные газы

Охлаждение воздуха является самым медленным методом, со скоростями обычно менее 50°С в секунду. Он используется только тогда, когда преобразование сплава’ достаточно вялое, чтобы даже медленное охлаждение могло сохранить желаемую структуру. Для многих медных сплавов охлаждение воздуха неадекватно для целей возрастного затвердевания, поскольку происходит преждевременное осаждение, что приводит к грубой микроструктуре и меньшей конечной прочности. Однако для сплавов, которые не требуют перенасыщенного раствора, такого как некоторые скобы, охлаждение воздуха от температуры отжига является совершенно приемлемым. Закалка инертного газа (с использованием азота или аргона) используется в вакуумных печах, чтобы избежать окисления, и является общим для высокоценных электрических компонентов.

В приведенной ниже таблице приведены типичные показатели охлаждения и применения для каждой среды.

Контроль и оптимизация процессов

Для последовательного достижения желаемых свойств необходимо точно контролировать закалку.Ключевые параметры включают температуру обработки раствора, время удержания, время переноса из печи в закалку ванны, температуру ванны, перемешивание и состояние поверхности заготовки.

Решения для лечения температуры

Для бериллия, температура раствора обычно составляет 780 – 800°С. Если температура слишком низкая, неполное растворение приводит к низкой прочности после старения; если слишком высокий рост зерна или начинающееся плавление может произойти. Время удержания должно быть достаточным для теплового равновесия и растворения, как правило, от 30 минут до 2 часов, в зависимости от толщины сечения.

Время передачи

Задержка между снятием детали из печи и погружением ее в кустарник имеет решающее значение. Даже несколько секунд могут позволить температуре опуститься ниже линии сольвуса, вызывая преждевременное осаждение. Для тонких деталей время переноса должно составлять три секунды или меньше. Автоматизированные системы обработки часто используются в производстве для обеспечения повторяемости.

Температура ванны и агитация

Температура ванны для утоления влияет на скорость охлаждения. Водяная ванна при 20°С охлаждается быстрее, чем одна при 40°С. Для масла рабочая температура обычно составляет 60 – 80°С для поддержания постоянной вязкости. Агитация (накачка, перемешивание) поддерживает однородную температуру и разрушает пузырьки пара, которые могут вызвать неравномерное охлаждение (мягкие пятна). Неадекватное перемешивание приводит к неравномерной твердости и увеличению искажения.

Заготовка Геометрия

Толщина сечения, острые углы и отверстия влияют на теплоотдачу. Толстые секции охлаждаются медленнее, чем тонкие секции, поэтому среду для закалки необходимо выбирать соответствующим образом. Для деталей с переменной толщиной может потребоваться более медленная среда, такая как масло, чтобы избежать растрескивания напряжения в тонких областях. Моделирование конечных элементов (FEM) все чаще используется для прогнозирования профилей охлаждения и оптимизации параметров процесса.

Послекоренные методы лечения

Охлаждение само по себе не завершает термическую обработку; оно закладывает основу для старения (закаливания осадков). После закалки сплав находится в перенасыщенном, относительно мягком состоянии (часто называемом “ как утолщенное ”). За этим следует старение при промежуточной температуре (обычно 250 & #8201; & #8211; & #8201; 400 & #176; C) для образования тонких когерентных осадков, которые препятствуют движению дислокации и увеличивают прочность. Время и температура старения тщательно сбалансированы, чтобы избежать перенасыщения, что огрубляет осадки и снижает прочность.

В некоторых случаях, шаг , вспыльчивый , используется в качестве альтернативы старению, особенно для сплавов, которые, возможно, стали слишком хрупкими. Закаливание при более низкой температуре снимает внутренние напряжения от закалки, в то же время вызывая некоторые фазы закалки. Переохлаждение иногда выполняется после формирования для восстановления пластичности в холодных обрабатываемых областях.

Для некоторых медных сплавов, таких как медь-хром, обычное явление — прямое старение после закалки. Другие, такие как Cu-Ni-Sn, подвергаются спинодальному разложению без отдельной стадии старения, но закалка должна быть достаточно быстрой, чтобы сохранить однородное состояние.