Термообработка медных сплавов: закалка, старение, отжиг

Термообработка медных сплавов решает две разные задачи. У дисперсионно-твердеющих бронз (БрБ2, БрХЦр, БрНБТ) закалка и старение поднимают прочность в 2,5−3 раза, до 1250−1400 МПа у бериллиевой бронзы. У меди, латуни и нагартованных полуфабрикатов отжиг делает обратное — снимает наклёп и возвращает пластичность. Ниже разбираем режимы (температуры, выдержку, среду), их влияние на прочность, проводимость и пластичность, а также типичные дефекты вроде перестаривания и окисления.

Зачем термообработка медных сплавов

Свойства медного сплава задаёт не только химсостав. У целого класса бронз прочность определяет термообработка: один и тот же пруток БрБ2 после закалки мягкий и пластичный (σв 400−550 МПа, удлинение до 30−40%), а после старения даёт 1250−1400 МПа при удлинении 2−5%. Разница в 2,5−3 раза достигается без изменения состава, только сменой режима нагрева и охлаждения.

Термообработка решает три инженерные задачи. Первая — упрочнение: у дисперсионно-твердеющих бронз закалка со старением поднимает прочность и твёрдость до уровня легированных сталей при втрое меньшей плотности. Вторая — восстановление пластичности: медь и латунь после холодной прокатки или волочения наклёпываются, теряют способность гнуться, и рекристаллизационный отжиг возвращает им мягкость под дальнейшую формовку. Третья — снятие остаточных напряжений после гибки, резания или сварки, чтобы деталь не повело в работе и не пошли трещины.

По нашей практике выбор режима определяет сама конструкция. Пружинному контакту нужна максимальная прочность после старения, тонкой ленте под глубокую вытяжку — мягкое отожжённое состояние, сварному узлу — низкотемпературный отжиг для снятия напряжений. Ошибка в температуре или выдержке на 30−50 °C уже уводит свойства за пределы допуска ГОСТ 18 175–78.

Виды термообработки и режимы

Медные сплавы делятся на две группы по реакции на нагрев. Дисперсионно-твердеющие (бериллиевые, хромциркониевые, никель-бериллиевые бронзы) упрочняются закалкой и старением. Недисперсионные (медь, латунь, оловянные бронзы) термически не упрочняются — их только отжигают или наклёпывают холодной деформацией. Сводная таблица режимов-ориентиров:

Среда нагрева критична. Медь и её сплавы при 700−1000 °C активно окисляются, поэтому ответственный нагрев ведут в защитной атмосфере, вакууме или соляных ваннах. Окалина на поверхности — не косметический дефект: под ней уходит бериллий или хром из приповерхностного слоя, и деталь недобирает прочность после старения.

Дисперсионное твердение: закалка и старение

Механизм упрочнения у бериллиевых, хромциркониевых и никель-бериллиевых бронз один — выделение дисперсных фаз из пересыщенного твёрдого раствора. Работает он потому, что растворимость легирующего элемента в меди резко падает с температурой. У бериллия в меди она снижается с 2,7% при 866 °C до менее 0,2% при комнатной. При закалке от высокой температуры избыточный бериллий остаётся «запертым» в пересыщенном растворе — сплав мягкий. При последующем старении он выделяется в виде дисперсных частиц упрочняющей фазы, которые блокируют движение дислокаций, и металл резко твердеет.

Технолог согласует режим под конкретный сплав и изделие. Ориентиры по трём основным маркам:

Бериллиевая бронза БрБ2 (AERIS 1345, аналог CuBe2). Закалка 780−800 °C с охлаждением в воде, старение 300−340 °C с выдержкой 1−3 часа. Прочность растёт до 1250−1400 МПа, твёрдость до 350−400 HV, электропроводность после старения 22−30% IACS, рабочая температура до 250 °C. Это выбор для пружинных контактов, разъёмов, искробезопасного инструмента.

Хромциркониевая бронза БрХЦр (AERIS 1330, аналог CuCr1Zr). Закалка от высокой температуры порядка 980−1000 °C, старение около 450−480 °C. Здесь дело определяет проводимость: после термообработки она держится на уровне 80−85% IACS при прочности 400−500 МПа и рабочей температуре до 400−500 °C. Отсюда основное применение — электроды контактной сварки, где нужен сильный ток при нагреве. `

БрНБТ (AERIS 1335, аналог CuCoNiBe). Низкобериллиевая бронза, старение около 450