2 (70), 2013 / 115 УДК 669.017 Поступила 16.04.2013 Ф. Г. ЛОВШЕНКО, ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», Г. Ф. ЛОВШЕНКО, БНТУ, И. А. ЛОЗИКОВ, ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет» ПОЛУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИ ЛЕГИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ЛИГАТУР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ БРОНЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Показана перспективность применения механически легированных лигатур для производства хромовых и хромо- циркониевых бронз. Изучены состав, структура и свойства хромовых и хромоциркониевых бронз, получаемых с приме- нением механически легированных лигатур. The prospects of application of mechanically alloyed ligatures for the production of chromium and chromium-zirconium bronze is shown. The composition, structure and properties of chromium and chromium-zirconium bronzes produced with the use of mechanically alloyed ligatures are studied. Введение В производстве низколегированных медных ма- териалов удельный объем хромсодержащих бронз составляет 60%. Из них около 90% приходится на сплавы систем «Cu–Сr» и «Cu–Сr–Zr». Они широко применяются для изготовления многотоннажных конструкций, например, теплообменных агрегатов, включая кристаллизаторы, электродов контактной сварки и арматуры машин сварки сопротивлени- ем, а также разрывных контактов. Хромовые брон- зы являются типичными дисперсионно-твердею- щими сплавами и для них характерны общие зако- номерности формирования фазового состава, структуры и свойств последних. При этом они от- личаются от других низколегированных медных материалов оптимальным сочетанием физиче- ских, механических и эксплуатационных свойств, формирующимся в процессе термомеханической обработки, включающей закалку и старение. Про- межуточной операцией является холодная пласти- ческая деформация, определяющая образование оптимальной структуры при старении [1], что приводит к существенному повышению прочност- ных свойств в результате выделения из пересы- щенного твердого раствора дисперсных включе- ний хрома или хромсодержащих соединений [2]. Краткий обзор основных промышленных тех- нологий производства хромсодержащих бронз, ос- нованный на данных [3–5, 7], приведен в [8, 9]. Особенности изготовления хромсодержащих бронз относятся прежде всего к их плавке и литью и обусловлены следующими факторами: наличием в сплавах элементов, имеющих большое сродство к кислороду (Zr, Ti, V, Nb, Cr, Si), малыми допу- сками на легирование (иногда ±0,003%), сравни- тельно высокими требованиями к чистоте мате- риала. Это ставит перед необходимостью при- менения в качестве шихты отдельно приготовлен- ных двойных или комплексных лигатур [2, 3]. Применение их позволяет с большей надежностью воспроизвести заданный состава сплава, снизить температуру перегрева медной основы, умень- шить продолжительность плавки, а следователь- но, увеличить производительность плавильных агрегатов, сократить угар дорогостоящих легиру- ющих компонентов и зашлакованность плавиль- ной ванны. Принимая меры защиты расплава от окисле- ния, лигатуры для хромовых бронз получают плав- кой в открытых печах. При использовании легиру- ющей добавки, изготовленной этим способом, ее расход по сравнению с расчетным возрастает вдвое. Кроме того, это увеличивает зашлаковыва- ние основной печи [10]. В случае производства многокомпонентных бронз, например, БрХЦр, БрХНб с использованием лигатуры Cu–Cr, полу- 2 (70), 2013 116 / ченной плавкой в открытых печах, потери цирко- ния или ниобия достигают 90%, что ставит под со- мнение экономическую целесообразность приве- денного выше способа изготовления [11]. Качество лигатуры повышается, а угар хрома снижается при плавке в вакуумных индукционных тигельных печах. В этом случае технологический процесс включает в себя следующие этапы: рас- плавление и перегрев меди до 1350–1400 °С, вве- дение кускового хрома, выдержку расплава до рас- творения хрома с одновременным повышением его температуры до 1550–1650 °С, охлаждение расплава до температуры литья, литье. Оптималь- ное содержание хрома в лигатуре Cu–Cr составля- ет 8–10%. Такие сплавы склонны к ликвации и их следует отливать в водоохлаждаемую изложницу слитками массой 15–25 кг. Эти материалы пла- стичны и относительно легко прокатываются как в горячем, так и в холодном состоянии. Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать однозначный вывод, что наиболее узким местом, во многом сдерживающим выпуск хромо- вых бронз и определяющим их высокую стои- мость, а также экологическую вредность произ- водства, является изготовление лигатур. Широкие исследования, выполненные авторами работы, не- которые результаты которых представлены в [12– 14], показывают, что одним из перспективных ме- тодов решения проблемы является применение реакционного механического легирования, исклю- чающего из технологического процесса производ- ства лигатур высокотемпературную плавку. Меха- ническое легирование заключается в обработке порошковой шихты заданного состава в энергона- пряженной мельнице-механореакторе, продуктом которой служит гранулированная композиция с суб-/микрокристаллической основой, упрочнен- ной, как правило, нано-, субмикро-/размерными включениями. Приведенная структура является устойчивой и в большинстве случаев наследуется компактными материалами, получаемыми из меха- нически легированных композиций [12–14], что позволяет сделать вывод о перспективности их применения в качестве модификаторов. Таким образом, использование технологии ме- ханического легирования наряду с упрощением и удешевлением производства как лигатур, так и хромсодержащих бронз создает предпосылки для повышения ряда физико-механических свойств последних. Исходя из этого, целью работы явля- лось исследование влияния состава шихты на мор- фологию, фазовый состав и свойства механически легированных хромсодержащих гранулированных композиций и установление закономерностей их формирования, а также исследование фазового со- става структуры и свойств хромовых и хромово- циркониевых бронз, получаемых с применением механически легированных лигатур. Материалы, оборудование и методика ис- следования В качестве исходных компонентов для получе- ния материалов применяли стандартный порошок меди ПМС-1 (ГОСТ 4960-75) с размером частиц 63–45 мкм и порошки технически чистых метал- лов – хрома и циркония с размером частиц менее 45 мкм. Реакционное механическое легирование проводили в энергонапряженной вибромельнице гирационного типа с четырьмя водоохлаждаемы- ми помольными камерами объемом 2 дм3 каждая. Режим обработки, использованный в данном ис- следовании, является оптимальным для большин- ства систем на основе металлов, включая и медь. Радиус и частота круговых колебаний, совершаемых помольными камерами, составляли 5 мм и 25 с–1 соответственно. Размалывающими телами служи- ли шары из стали ШХ15СГ, подвергнутые типовой термической обработке и имеющие твердость 62 НRC. Размол проводили в камерах из аустенит- ной стали 12Х18Н9Т с изолированным рабочим пространством. Степень заполнения помольной камеры шарами – 70%, время обработки – 8 ч, от- ношение объемов размалывающих тел и шихты – 10. Температура в помольной камере составляла 50 °С. Ситовой анализ осуществляли с использовани- ем следующего набора сит: 0,045, 0,063, 0,071, 0,100, 0,200, 0,250, 0,315, 0,400, 0,500, 0,630, 0,800, 1,000, 1,250,1,600, 2,500, 3,150, 4,000 мм. Разделе- ние по фракциям проводили с помощью машины для сухого просеивания NTS-1 (Германия). Ми- кротвердость исследовали на микротвердомере «Micromer-2» (Швейцария) при нагрузках на пи- рамиду 0,49 и 0,98 Н. Металлографический анализ выполняли на ме- таллографическом комплексе МКИ-2М (Беларусь), сканирующем электронном микроскопе «Tescan VEGA II SBH» (Чехия). Исследование элементно- го состава проводили на микроскопе «Tescan VEGA II SBH» (Чехия) с системой энергодиспер- сионного микроанализа «INCA ENERGY 350/XT» с безазотным детектором X-Act ADD (OXFORD Instruments NanoAnalysis, Великобритания) при линейном непрерывном и шаговом сканировании, а также сканировании по площади. Субструктуру и фазовый состав материалов изучали на просве- чивающем электронном микроскопе Tesla BS-540 с использованием гониометрических приставок. При этом исследование структуры гранулирован- 2 (70), 2013 / 117 ной композиции проводили путем осаждения мел- ких осколков гранул на угольные реплики. Результаты исследований Основные закономерности формирования ме- ханически легированных нано-, субмикро-/ струк- турных металлических композиций, представлен- ные в [1–5], справедливы и для хромсодержащих медных систем. При обработке порошковых сме- сей в механореакторе имеют место многообраз- ные эффекты, изменяющие морфологию частиц. Основными из них являются пластическая дефор- мация, разрушение и сварка осколков по юве- нильным поверхностям. Процесс разрушения определяется скоростью накопления дефектов кристаллического строения, возникающих при пластической деформации частиц. С увеличением частоты силового воздействия размалывающих тел на обрабатываемую композицию вероятность разрушения частиц возрастает. Параллельно с раз- рушением частиц в результате адгезии протекают агломерация и грануляция. Ударное воздействие рабочих тел на агломерированные частицы компо- зиции приводит к сварке, сопровождающейся вза- имодиффузией и химическим взаимодействием между компонентами. В результате многократно повторяющихся разрушений и сварки формиру- ется гранулированная композиция, в которой ис- ходные компоненты или продукты их взаимодей- ствия связаны и равномерно распределены между собой. Соотношение между скоростями измельчения и грануляции зависит от суммарного воздействия ряда взаимосвязанных факторов, выделить коли- чественный вклад каждого из которых практиче- ски невозможно. Основными факторами, оказыва- ющими влияние на процесс, являются природа об- рабатываемых материалов и энергонапряженность режима обработки. Они определяют характер и развитие механически активируемых превраще- ний, влияющих как на кинетику упрочнения ком- позиционных частиц, так и на его предельное зна- чение. Способность к пластической деформации – величина, обратная упрочнению и является одним из основных свойств, определяющих интенсив- ность протекания адгезии и сварки осколков, а следовательно, и кинетику изменения размера гранул. На начальном этапе обработки, как правило, превалирует разрушение, в последующем – про- цессы агломерации и сварки, в результате проте- кания которых средний размер гранул непрерыв- но увеличивается. На первой стадии грануляции структура характеризуется ярко выраженной слои- стостью, указывающей на то, что рост гранул про- исходит путем послойного наваривания осколков с их последующей пластической деформацией. При дальнейшей обработке толщина слоев непре- рывно уменьшается и происходит гомогенизация композиции. На этапе образования гранулы до- статочно рыхлые со значительным количеством пор и несплошностей. В дальнейшем поры прак- тически исчезают. На определенном этапе между сваркой и разрушением устанавливается динами- ческое равновесие, размер гранул стабилизируется и сохраняется достаточно долго. На этой стадии в большей или меньшей мере получает разви- тие собирательная грануляция, которая приводит к формированию относительно крупных компо- зиционных частиц, образующихся путем сварки между собой нескольких гранул, каждая из кото- рых сохраняет свою текстуру. Размер композици- онных частиц в 2–4 раза превышает средний раз- мер гранул. С увеличением продолжительности обработки объемная доля их возрастает. Определенное представление о формировании гранулированных композиций при обработке в ме- ханореакторе дает исследование характера распре- деления микротвердости по сечению гранул, вы- полненное на алюминиевых, медных, никелевых и железных композициях [12–14]. В общем случае периферийный слой имеет большую твердость, чем центральная зона гранулы. Данная закономер- ность указывает на то, что после агломерации и холодной сварки осколков, имеющих место на первом этапе грануляции, возникшие композици- онные частицы являются устойчивыми образова- ниями. В связи с тем что при дальнейшей обработ- ке в механореакторе энергия размалывающих тел поглощается и рассеивается прежде всего перифе- рийным слоем гранулы, в этой области наиболее полно протекают механохимические превраще- ния, что приводит к их большему упрочнению, чем сердцевины. Монотонное изменение твердо- сти по сечению, наблюдаемое у элементарных гра- нул, в композиционных гранулах, сформировав- шихся в процессе собирательной грануляции, на- рушается. Независимо от исходного состава мед- ных и алюминиевой композиций с уменьшением размера гранул разница в твердости поверхности и центральной области снижается и при их диаме- тре менее 0,5 мм практически отсутствует. Это по- зволяет сделать вывод, что при оптимальном ре- жиме обработки механохимические превращения протекают в основном в поверхностном слое тол- щиной до 0,2 мм. В центральной зоне гранул, име- ющих диаметр более 0,5 мм, превращения затруд- нены. Образование крупных гранул приводит к снижению скорости механического легирования. 2 (70), 2013 118 / В то же время при разгрузке, хранении и перера- ботке мелкогранульных композиций с диаметром менее 0,1–0,2 мм, имеющих большую поверх- ность, в ряде случаев возникают проблемы, основ- ной из которых является предотвращение их окис- ления. Это полностью относится и к разрабатыва- емым композициям. Кислород, содержащийся в лигатуре, по меньшей мере, будет увеличивать угар легирующих элементов при основной плавке. Исходя из приведенного выше, оптимальный раз- мер гранул механически легированных нано-, субмикро-/ кристаллических лигатур находится в пределах 0,2–0,5 мм. С учетом того, что обработ- ка порошковой композиции в механореакторе осу- ществляется по оптимальному режиму, единствен- ным способом регулирования механически акти- вируемых процессов, включая и грануляцию, является изменение состава шихты. Большой не- достаток применяющихся лигатур – сравнительная их бедность по содержанию основного легирующе- го компонента – хрома. При расчете на средний состав хрома в основной массе выпускаемой в на- стоящее время лигатуры «Cu–Cr» и средний состав хрома в хромовых бронзах получается, что «лига- турной» является каждая четвертая плавка. Есте- ственно, это снижает основные показатели произ- водства в литейном переделе, приводит к ненор- мально большому объему лигатурной части шихты, а следовательно, к усложнению процесса плавки, повышению энергетических затрат. В связи с этим оптимальной по составу является лигатура с мак- симальным содержанием легирующих элементов. На первом этапе работы исследованы размер, морфология и механизм формирования частиц ме- ханически легированных композиций, содержащих 5, 10, 15, 20% хрома. Форма и топография гранул (фракции 450–630 мкм) приведены на рис. 1. Для определения характера распределения ча- стиц по размеру применяли ситовой анализ, по ре- зультатам которого строили дифференциальные кривые (рис. 2). Функцией служила величина F(d), определяе- мая из выражения: F(d) = ∆m/(m∆d), где m – общая масса анализируемого порошка; ∆m – масса по- рошка на сите; ∆d – разность размера ячеек сит, следующих друг за другом. Анализ дифференциальных кривых показыва- ет, что в композициях, содержащих 5 и 10% хрома, характер распределения гранул по размеру прак- тически одинаков и близок к нормальному. При- мерно у 70% от общей массы композиции размер гранул является оптимальным. При его среднем значении, примерно равным 400 мкм, он находит- ся в пределах 250–550 мкм. Результаты исследова- ния топографии поверхности и структуры гранул (рис. 1, 3, 4) показывают, что их формирование происходит по приведенному выше «классическо- му» механизму. Гранулы имеют форму, близкую к равноосной и являются достаточно плотными и устойчивыми образованиями. На нано/субми- кроскопическом уровнях они характеризуются од- нородным распределением компонентов. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии, размер включений хрома не превышает 200 нм. По результатам исследования процесса меха- нического легирования с увеличением концентра- ции хрома адгезионная способность шихты, обра- батываемой в механореакторе, по отношению Рис. 1. Форма и топография поверхности гранул композиций, содержащих 10% (а), 20% (б) хрома 2 (70), 2013 / 119 к стали возрастает, что находит очевидное прояв- ление в композициях, содержащих более 10% это- го элемента. В этом случае адгезионные процессы наряду с агломерацией композиции приводят так- же к схватыванию осколков частиц с рабочими те- лами (шарами) и стенкой помольной камеры, что вызывает образование на них шиповидных наро- стов. С этого времени шары и стенка помольной камеры являются не только источником динамиче- ского воздействия на обрабатываемую смесь, но и их поверхность становится местом формирова- ния гранул. Под действием нормальной составля- ющей силы, возникающей в результате соударения шаров, происходит послойное наваривание частиц композиции на образовавшиеся на поверхности наросты, что приводит к увеличению размера ра- бочих тел и изменению условий обработки. При связывании с шарами и стенкой помольной каме- ры более 10% шихты процесс механического ле- гирования нарушается. В системе «медь – хром» количество связанной шихты увеличивается с по- вышением концентрации второго компонента и при 20% его содержания выход механически ле- гированной композиции не превышает 50%. Од- Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения по размеру гранул механически легированных композиций системы «медь–хром» Рис. 3. Структура гранулированной композиции Cu – 10% Cr 2 (70), 2013 120 / ним из факторов возрастания адгезионной способ- ности в этом случае может являться рафинирова- ние основы – меди в результате более полного восстановления ее оксидов, покрывавших части- цы исходного порошка. При содержании хрома в шихте в количестве 15% и более механически легированные компози- ции состоят из двух основных типов гранул. Пер- вые – мелкие, имеют осколочно-пластинчатую форму. Их размер находится в пределах 0,05–0,20 мм при средней величине 100 мкм. Вторые – круп- ные, с формой, близкой к глобулярной, характери- зуются широким интервалом изменения размера, равным 0,3–2,0 мм (см. рис. 1). Первые являются осколками частичного разрушения связанной с шарами и стенками помольной камеры компози- ции и обладают высокой плотностью и твердо- стью. Они служат в качестве элементов формиро- вания крупных частиц. Процесс реализуется по механизму собирательной грануляции путем ча- стичной сварки мелких гранул. Низкая пластич- ность последних, обусловленная наклепом и высо- ким содержанием дисперсной упрочняющей фазы – хрома, затрудняет протекание процесса. Круп- ные гранулы отличаются повышенной пористо- стью, возрастающей с увеличением количества хрома в композиции, что приводит к снижению твердости гранулы в целом. В то же время влияние хрома на твердость плотных элементарных ча- стиц, из которых сформирована композиционная гранула, обратное. На это указывает увеличение твердости компактных материалов, полученных горячим прессованием механически легирован- ных композиций, с повышением содержания в них хрома (рис. 5). Механически активируемая адгезионная спо- собность шихты к стальным шарам и стенкам по- мольной камеры возрастает при дополнительном Рис. 4. Структура гранулированной композиции Cu – 20% Cr Рис. 5. Зависимость микротвердости гранулированной (2) и скомпактированной (1) лигатуры от содержания хрома 2 (70), 2013 / 121 легировании композиции цирконием, которое на- правлено на получение хромовоциркониевой лига- туры. Так, введение 1,5% циркония в шихту, со- держащую 10% Cr, снижает выход механически легированной композиции до 70%. Этот элемент имеет высокое сродство к кислороду и способ- ствует более полному рафинированию меди, что подтверждает правомерность ранее приведенного предположения о роли механически активируе- мых окислительно-восстановительных превраще- ний на адгезионную способность шихты. Таким образом, анализ полученных данных позволяет сделать однозначный вывод, что для нормального протекания процесса механического легирования максимальное содержание хрома в шихте не должно превышать 10%. Согласно результатам более ранних исследова- ний авторов [12–14], увеличение продолжительно- сти стадии и степени измельчения порошковых частиц при обработке шихты в механореакторе повышает степень завершения механически акти- вируемых структурно-фазовых превращений, устой- чивость процесса механического легирования и воспроизводимость его результатов. Наиболее простым и эффективным методом достижения этого является введение в шихту поверхностно-ак- тивного вещества (ПАВ). В качестве последнего в данной работе использован графит, содержание которого изменялось в пределах 0,05–0,20%. При этом изучено влияние ПАВ на процесс формиро- вания, морфологию, структуру и свойства механи- чески легированных гранулированных компози- ций. Базовой являлась композиция, содержащая 10% хрома. Введение графита существенно снижает склон- ность к адгезии как между частицами обрабатыва- емой композиции, так и с рабочими телами и стен- ками помольной камеры, что задерживает процесс грануляции и уменьшает количество связанной шихты. Как следует из анализа дифференциаль- ных кривых распределения по размеру гранул ме- ханически легированных систем (рис. 6), увеличе- ние содержания ПАВ в композиции приводит к снижению размера частиц гранулированной ком- позиции. Так, при введении 0,15% графита сред- ний размер гранул уменьшается примерно в 2 раза и составляет около 200 мкм. Увеличение содержания графита до 0,25% практически прекращает процесс образования гранул, размер которых не превышает 0,045 мм. Смесь начинает налипать на рабочие тела и осо- бенно на дно помольной камеры в виде рыхлой «шубы». Выход снижается до 70% от массы на- вески. Гранулы имеют округлую форму и гладкую по- верхность (рис. 7). Применение ПАВ увеличивает их плотность. В этом случае они практически не содержат пор и характеризуются однородным рас- пределением компонентов (рис. 7–9). Структура материала относится к суб-/микрокристаллическо- му типу. Размер зерен основы не превышает 1 мкм. Зерна в свою очередь разделены на блоки, величина которых составляет десятые доли микро- метра. Основное количество хрома находится в виде включений глобулярного типа размером ме- нее 0,5 мкм. Кроме того, в структуре выявляются пластинчатые включения легирующего элемента длиной до 10 мкм и толщиной менее 1 мкм. Рис. 6. Дифференциальные кривые распределения по размеру гранул механически легированных систем Cu – 10% Cr – С 2 (70), 2013 122 / Как следует из рис. 10, зависимость микро- твердости гранулированных композиций от содер- жания графита в исходной шихте описывается кривой с максимумом. Наибольшее значение этого параметра, равное HV 300, достигается при введе- нии 0,15% ПАВ. Исходя из полученных результатов, при произ- водстве механически легированной хромовой ли- гатуры оптимальная концентрация легирующего компонента составляет ~10%. При этом в исход- ную смесь в качестве ПАВ следует вводить 0,15% графита. В то же время из-за большей склонности к грануляции шихты для хромоциркониевой лига- туры (Cu – 10% Cr –1,5% Zr) оптимальное содер- жание графита в исходной смеси составляет 0,20%. Оптимальным способом компактирования ме- ханически легированных гранулированных лига- тур является горячее прессование. Типовая струк- тура прутков, полученных по этой технологии, приведена на рис. 11. Анализ полученных данных показывает, что горячее прессование обеспечивает получение бес- пористого материала, плотность которого близка Рис. 7. Форма и топография поверхности гранул композиции Сu – 10% Cr – 0,15% С Рис. 8. Структура гранулированной композиции Cu – 10% Cr – 0,15% С 2 (70), 2013 / 123 Рис. 9. Микроструктура гранул композиции состава Cu – 10% Cr – 0,15% С: а – двухмерное изображение; б – 3D-изображение Рис. 10. Зависимость микротвердости гранулированных композиций Cu – 10% Cr от содержания графита Рис. 11. Микроструктура горячепрессованных механически легированных лигатур: а – Cu – 10% Cr –1,5% Zr; б – Cu – 10% Cr –1,5% Zr – 0,15% С 2 (70), 2013 124 / Рис. 12. Микроструктура хромоциркониевой бронзы Cu – 0,55% Cr – 0,006% Zr, полученной с применением механически легированной лигатуры оптимального состава, после обработки: а – закалка; б – закалка + старение; в, г – закалка + пласти- ческая деформация + старение; охлаждение после старения: б, в – на воздухе к теоретической. Структура материала относится к субмикрокристаллическому типу. Размер зерен основы составляет десятые доли микрометра. Ос- новная масса хрома находится в виде включений, имеющих форму, близкую к глобулярной, величи- ной менее 0,3 мкм. Для материалов из механиче- ски легированных композиций, полученных без ПАВ, характерно наличие отдельных лепестковых включений хрома, максимальная длина которых достигает 3 мкм. Толщина их не превышает 1 мкм. Большим достоинством опытной технологии является то, что применение механически легиро- ванных лигатур с субмикрокристаллическим рас- пределением легирующих компонентов приводит к их последующему быстрому растворению в рас- плаве меди. Это позволяет снизить температуру основной плавки на 150–200 °С и сократить ее продолжительность в 2–4 раза, уменьшить угар легирующих элементов не менее чем 1,8 раз, а так- же повысить экологичность процесса в целом. Кроме того, технология позволяет выплавлять хромовые бронзы на практически любых плавиль- ных агрегатах, обеспечивающих необходимый температурный режим. Последующая обработка давлением и термомеханическая обработка опыт- ных бронз осуществляются по стандартной техно- логии. Типичные структуры литой хромовоцирко- ниевой бронзы приведены на рис. 12. 2 (70), 2013 / 125 Бронзы, полученные с использованием меха- нически легированной лигатуры, отличаются вы- сокой плотностью, отсутствием пор и микровклю- чений. Наряду со своим основным назначением – легированием разработанные лигатуры выполня- ют также роль модификатора. Их тонкая структура наследуется литыми бронзами. Средний размер зерен основы бронз менее 1 мкм и их структура относится к субмикрокристаллическому типу. Ле- гирующие элементы равномерно распределены в основе. Упрочняющими фазами после термиче- ской обработки являются Cr, Zr, и, вероятно, Cu3Zr. Размер упрочняющих фаз не превышает 0,1 мкм и они относятся к нанокристаллическим. Измене- ние структуры оказывает положительное влияние на свойства материалов. Так, например, бронза, содержащая 0,55% Cr и 0,006% Zr, имеет следую- щий комплекс физико-механических свойств: твер- дость – 160 НВ, предел прочности при растяжении – 500 МПа, относительное удлинение – 16%, элек- тропроводность – 82% от электропроводности меди, температурный интервал рекристаллизации – 600– 700 °С. Разработка «Технология получения механиче- ски легированных наноструктурных модифициру- ющих лигатур для производства высокопрочных субмикрокристаллических бронз электротехниче- ского назначения» в 2013 г. представлялась на Пе- тербургской технической ярмарке и в номинации «Лучший инновационный проект в области пере- довых технологий машиностроения и металлур- гии» отмечена дипломом первой степени (с вруче- нием золотой медали). Выводы 1. Узким местом, сдерживающим выпуск хро- мовых бронз и определяющим их высокую стои- мость, а также экологическую вредность производ- ства, является изготовление лигатур. Один из пер- спективных методов решения проблемы – примене- ние реакционного механического легирования, исключающего из технологического процесса про- изводства лигатур высокотемпературную плавку. 2. При обработке в механореакторе шихты на основе порошков «медь – хром» имеют место мно- гообразные эффекты, изменяющие морфологию частиц. Основными из них являются пластическая деформация и разрушение исходных частиц, адге- зия, агломерация, сварка осколков и формирование гранулированной композиции, в которой исходные компоненты и продукты их механически активи- рованного взаимодействия связаны и равномерно распределены между собой. 3. Оптимальный размер гранул находится в пределах 0,3–0,5 мм; при формировании компо- зиций диаметром менее 0,2 мм возникает пробле- ма предотвращения их окисления, в то же время образование крупных гранул величиной более 0,6 мкм приводит к снижению скорости протека- ния механически активируемых структурных и фа- зовых превращений, обеспечивающих образова- ние нано-/субмикрокристаллических лигатур. 4. Шихта, содержащая более 10% хрома, обла- дает высокой адгезионной способностью по отно- шению к стали, что приводит к связыванию части ее как с рабочими телами (шарами), так и стенка- ми помольной камеры и нарушает протекание про- цесса механического легирования. 5. Механически активируемая адгезионная спо- собность шихты к стальным шарам и стенкам по- мольной камеры возрастает при дополнительном легировании композиции цирконием. Одним из факторов, способствующим адгезии, является ра- финирование основы – меди в результате более полного восстановления ее оксидов, покрывавших частицы исходного порошка. 6. Эффективным способом снижения склонно- сти шихты к адгезии как между частицами обраба- тываемой композиции, так и с рабочими телами, повышения стабильности процесса механического легирования и получения лигатуры, имеющей оп- тимальную структуру и гранулометрический со- став, является применение ПАВ (серебристый гра- фит) в количестве 0,15–0,20%. 7. Структура лигатур оптимального состава от- носится к нано- / субмикрокристаллическому типу с размером зерен основы менее 1 мкм, разделен- ных на блоки величиной не более 100 нм. Основ- ное количество хрома находится в виде включений глобулярного типа размером менее 0,3 мкм. 8. Разработанные лигатуры наряду со своим основным назначением – легированием выполня- ют роль модификатора и их тонкая структура на- следуется бронзами, имеющими субмикрокри- сталлический тип структуры основы, стабилизи- рованной наноразмерными упрочняющими фаза- ми (Cr, Zr, и Cu3Zr), что определяет высокий комплекс их физико-механических свойств. Литература 1. Н о в и к о в И. И. Теория термической обработки / И. И. Новиков. М.: Металлургия, 1978. 2. Н и к о л а е в А. К. Хромовые бронзы / А. К. Николаев, А. И. Новиков, В. М. Розенберг. М.: Металлургия, 1983. 3. Н и к о л а е в А. К. Сплавы для электродов контактной сварки / А. К. Николаев, В. М. Розенберг. М.: Металлургия, 1978. 2 (70), 2013 126 / 4. Р о з е н б е р г В. М. Совершенствование технологии производства полуфабрикатов из цветных металлов и сплавов / В. М. Розенберг, А. К. Николаев // Плавка и литье цветных металлов и сплавов: науч. тр. М.: Металлургия, 1977. № 50. С. 50–67. 5. Р о з е н б е р г В. М. Литейные свойства малолегированной меди / В. М. Розенберг, А. К. Николаев // Цвет- ные металлы. 1972. № 8. С. 65–70. 6. З а х а р о в M. B. Жаропрочные сплавы / M. B. Захаров, A. M. Захаров. M.: Металлургия, 1972. 7. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди: справ. / М. Е. Дриц [и др.]. М.: Наука, 1979. 8. Л о в ш е н к о Ф. Г. Бронзы электротехнического назначения и особенности их производства / Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко, И. А. Лозиков // Вест. Бел.-Росс. ун-та. 2012. № 3. С. 36–52. 9. Л о в ш е н к о Ф. Г. Литые хромосодержащие бронзы, получаемые с применением механически легируемых лигатур / Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко, И. А. Лозиков // Литье и металлургия. 2012. № 3. Спецвыпуск. С. 131–135. 10. Г о л о в е ш к а В. Ф. Производство меднохромовой лигатуры и влияние некоторых условий плавки и литья на ее каче- ство / В. Ф. Головешка, В. И. Соколов // Плавка и литье цветных металлов и сплавов: науч. тр. М.: Металлургия, 1969. № 32. С. 105–112. 11. Т е л и с М. Я. Фасонное литье медных сплавов / М. Я. Телис. М.: Машгиз, 1957. С. 75–84. 12. В и т я з ь П. А. Механически легированные сплавы на основе алюминия и меди / П. А. Витязь, Ф. Г. Ловшенко, Г. Ф. Ловшенко. Мн.: Беларуская навука, 1998. 13. Л о в ш е н к о Г. Ф. Теоретические и технологические аспекты создания наноструктурных механически легированных материалов на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко. Могилев: Бел.-Рос. ун-т, 2005. 14. Л о в ш е н к о Г. Ф. Наноструктурные механически легированные материалы на основе металлов / Г. Ф. Ловшенко, Ф. Г. Ловшенко, Б. Б. Хина; под ред. Ф. Г. Ловшенко. Могилев: Бел.-Рос. ун-т, 2008.