Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ БЕРИЛЛИЕВОЙ БРОНЗЫ БРБ2, ОХЛАЖДАЕМЫХ В ВОДНО-СОЛЕВОМ РАСТВОРЕ С ХЛОРСОДЕРЖАЩИМИ ПРИСАДКАМИ

Изобретение относится к термической обработке деталей из бериллиевой бронзы (БрБ2) и может быть использовано в радиотехнической, электротехнической отраслях промышленности и в приборостроении.

Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз при изготовлении изделий.

Бериллиевая бронза обладает оптимальными электрическими, антикоррозионными, прочностными и упругими характеристиками, в связи с чем данный материал находит большое применение в приборостроении, компьютерной технике, в электротехнической и радиотехнической отраслях промышленности для изготовления контактных упругих элементов. Из бериллиевых бронз изготавливают детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.

Использование бериллиевых бронз оправдано в тех случаях, когда требуется:

- высокая электропроводность;

- высокая теплопроводность;

- высокие технические и, особенно, упругие свойства;

- высокая коррозионная стойкость;

- отсутствие у материала ферро-магнитных свойств.

С целью получения оптимального сочетания прочностных, пластических и упругих характеристик деталей, изготовленных из бериллиевой бронзы (Бр.Б2), их подвергают термической обработке. Высокие упругие свойства бериллиевых бронз позволяют получать из них электропроводящие детали очень небольшой толщины и тонких сечений.

Так, известен практический способ термической обработки спиральных пружин, изготовленных из бериллиевых бронз. Подготовленные кассеты с навитыми в них пружинами укладываются в специальную гильзу-обойму. Гильза закладывается в патрон, плотно завертывается крышкой и загружается в печь для термической обработки при 400^оС. После термической обработки патроны охлаждаются на воздухе. Пружины удаляются встряхиванием и отделяются друг от друга с помощью пинцета. Недостатком этого способа является использование кассет, куда укладываются пружины для термической обработки, так как в этом случае необходимо увеличение температуры - для прогрева пружин должны прогреться кассета и гильза, а это требует дополнительных энергетических затрат.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ термической обработки контактных пружин из бериллиевой бронзы, включающий термическую обработку на оправке, в качестве которой используют стальную пластину с вырезанными пазами по размерам пружин, а термическую обработку проводят при 300-400^оС с последующим охлаждением (патент №2048593 от 14.05.1991).

Недостатками указанных способов является то, что при термической обработке на поверхности деталей образуется пленка окислов углерода, которая способствует ухудшению контактов, ухудшению качества гальванической обработки перед покрытием серебром, так как остатки окисной пленки на деталях могут оставлять на обработанной серебром поверхности темные пятна, что значительно ухудшает внешний вид, а следовательно, и качество выпускаемой продукции.

Известно, что для удаления пленки окислов углерода с поверхности деталей используют травление, которое позволяет удалить с металлических деталей прочно сцепленные с их поверхностью загрязнения - ржавчину, окалину, полученные при термической обработке. Для травления используют водные растворы кислот и другие агрессивные химическое соединения, обработка которыми приводит к образованию изъянов, микропор на поверхности детали, а в конечном счете может привести к изменению и уменьшению размеров самой детали. Кроме того, проведение травления требует дополнительных приспособлений, оборудования, реактивов, а следовательно, и затрат.

Для того чтобы исключить операцию травления деталей из бериллиевой бронзы, необходимо отработать процесс их охлаждения после термообработки в определенных условиях. Экспериментально было установлено, что для этой цели можно использовать водно-солевые растворы, предварительно прошедшие магнитную обработку в постоянных магнитах.

Длительное время магнитная обработка, например, водных систем сводилась в основном к борьбе с накипеобразованием (патент Бельгии N 460560, 1945).

Также известны способы магнитной обработки жидкостей в неоднородном магнитном поле с использованием различных приемов и устройств (а.с. N 829580, 854890, 101421, 1165640, 1239100, 1275004, 1428709, кл. C02F 1/48).

Недостатками этих способов является то, что обработке подвергается не только 100% жидкости, но и дополнительно раствор щелочи или сорбент, способствующие процессу обработки, что повышает конечную стоимость способа.

Задачами настоящего изобретения являются отработка процесса термической обработки изделий из бериллиевой бронзы (БрБ2) в печах с открытыми нагревателями с дальнейшим охлаждением водно-солевым раствором, исключение операции травления деталей, использующейся для удаления с их поверхностей образующейся в результате термообработки пленки окислов углерода, улучшение качества гальванической обработки деталей перед покрытием серебром, а также для удешевления процесса термической обработки бронзы за счет использования печей с открытыми нагревателями.

Данная задача решается таким образом, что по способу термической обработки деталей из бериллиевой бронзы различной толщины и конфигурации, включающему их нагрев на стальных поддонах в электрической печи с открытыми нагревателями до температуры 300-320^оС, с последующим выдерживанием их в течение 2 часов при этой же температуре, и дальнейшее охлаждение, причем для удаления с поверхностей деталей образующейся в результате термической обработки пленки окислов углерода, а также для улучшения качества гальванической обработки деталей перед покрытием серебром охлаждение производят в водно-солевом растворе, представляющем собой смесь 3-7%-ного водного раствора хлористого натрия и 0,5-1%-ного водного раствора соляной кислоты, взятых в соотношении 1:1, при этом водно-солевой раствор предварительно подвергают магнитной обработке, пропуская его со скоростью 8-10 л/мин через ряд чередующихся постоянных магнитов выпуклой и вогнутой формы, создающих магнитное поле напряженностью 950-1000 Э.

С целью получения оптимального сочетания прочностных, пластических и упругих характеристик, упругие элементы - детали, изготовленные из бериллиевой бронзы (Бр.Б2), подвергаются термической обработке в печах с открытыми нагревателями.

Однако наряду с требуемыми изменениями свойств деталей из бериллиевой бронзы при высоких температурах происходят и нежелательные превращения, связанные с взаимодействием металла с кислородом - образование окалины. Такие отрицательные процессы вызывают необходимость принятия защитных мер, предотвращающих или снижающих подобное высокотемпературное взаимодействие. К таким мерам относится проведение термической обработки в вакуумных печах, создание защитной газовой атмосферы в печном пространстве или проведение термической обработки в атмосфере защитного инертного газа.

Все перечисленные меры являются дорогостоящими, требуют наличия специального термического оборудования или специальной оснастки, часто нетехнологичны из-за больших объемов производства и не всегда обеспечивают гарантированный эффект защиты от окисления поверхности, что приводит к значительному удорожанию процесса, а это экономически не выгодно.

Для выявления связи между физическими свойствами бериллиевой бронзы и механическими проводились испытания образцов на растяжение и замер твердости на опытном заводе ОАО «Московский ордена Трудового Красного знамени радиотехнический институт» в городе Москве. Упругие свойства и твердость деталей определяли по методу Викерса, который регламентируется по ГОСТ 2999-75 и ISO 6507. Экспериментально установлено, что чем больше толщина деталей из бериллиевой бронзы, тем выше показатель их твердости, а сплавы металлов, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами, должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Обобщенной характеристикой упруго-пластических свойств и является твердость. Метод Виккерса позволяет определять твердость тонких листовых материалов. Для деталей из бериллиевой бронзы, прошедших термическую обработку по заявляемому способу, определены пределы показателя твердости от 310 до 360 HV.

Опытным путем также установлено, что оптимальными для термической обработки деталей из бериллиевой бронзы в открытых печах является их нагревание при температуре 300-320^оС, с дальнейшим выдерживанием в печи при этой температуре в течение 2 часов. Причем чем тоньше деталь, тем ниже температура термообработки.

После термообработки необходимо удалить образующуюся окалину, ржавчину и другие загрязнители. Для этого в предлагаемом изобретении предлагается охлаждать детали после термообработки из бериллиевой бронзы в предварительно подвергнувшемся магнитной обработке водно-солевом растворе с хлорсодержащими присадками. Известно, что магнитная обработка водно-солевых систем, растворов после их протекания сквозь магнитные поля изменяет их свойства. Так, она ускоряет процессы кристаллизации и растворения. С помощью магнитной обработки можно удалить накипи различных солей, пленки окислов углерода и др. Магнитная обработка осуществляется с помощью постоянных магнитов или электромагнитов, между полюсами которых протекают водные и водно-солевые системы. Эффективность магнитной обработки зависит главным образом от напряженности магнитного поля, скорости течения, состава жидкой фазы водной системы. Изменение свойств в результате магнитной обработки вызвано воздействием магнитных полей на примеси, содержащиеся в водной системе.

В предлагаемом способе водно-солевой раствор представляет собой смесь 3-7%-ного водного раствора хлористого натрия и 0,5-1%-ного водного раствора соляной кислоты, взятых в соотношении 1:1, при этом в качестве хлорсодержащих присадок используется соляная кислота. Магнитная обработка водно-солевого раствора происходит следующим образом - водно-солевой раствор пропускают через ряд чередующихся постоянных магнитов выпуклой и вогнутой формы, создающих магнитное поле напряженностью 950-1000 Э. Выпуклая форма магнита создает магнитное поле меньшей напряженности, чем вогнутая, за счет рассредоточения магнитных силовых линий. Вогнутая форма обеспечивает более высокую напряженность за счет фокусирования магнитных силовых линий. Таким образом, обеспечивается равномерное распределение напряженности магнитного поля, исключая поля рассеивания, что способствует более интенсивному процессу роста кристаллов за счет их одинаковой ориентации. При магнитной обработке водно-солевого раствора происходит изменение морфологической кристаллизации соли. Кристаллы соли удлиняются, становятся более тонкими, что способствует их быстрому перераспределению в растворе, и, благодаря воздействию магнитного поля, происходит выделение ионов хлора, под действием которых растворяется окисная пленка на поверхности деталей из бериллиевой бронзы. Кроме того, часть ионов хлора выделяется при магнитной обработке соляной кислоты, входящей в состав водно-солевой смеси, при этом соляная кислота в данном случае выполняет роль хлорсодержащих присадок. За счет соответствующего расположения магнитов, создающих высокоградиентные поперечные магнитные поля по отношению к потоку водно-солевого раствора, достигается максимальная эффективность воздействия магнитного поля на растворенные в воде ионы солей. Опытным путем установлено, что на неподвижный водно-солевой раствор магнитные поля действуют гораздо слабее, чем на движущийся поток. Оптимальный интервал скоростей движения потока водно-солевого раствора при обработке магнитным полем получен экспериментально и составляет 8-10 л/мин.

Данный способ отрабатывался в цехе опытного завода ОАО «Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт».

Для подтверждения возможности применения данного способа в промышленных условиях было обработано несколько партий деталей из бериллиевой бронзы толщиной 0,15-3 мм, что подтверждено следующими примерами.

Пример 1.

Образцы деталей толщиной 0,15 мм в количестве 50 штук различной конфигурации из бериллиевой бронзы помещают в электрическую печь с открытым нагревателем в стальных поддонах, нагревают до температуры 300^оС, выдерживают их в печи в течение 2 часов при температуре 300^оС и охлаждают подвергнувшейся магнитной обработке - прошедшей через ряд чередующихся постоянных магнитов выпуклой и вогнутой формы, водно-солевой смесью 3%-ного водного раствора хлористого натрия и 0,5%-ного водного раствора соляной кислоты, взятых в соотношении 1:1. Напряженность магнитного поля, создаваемого при этом, - 900 Э, а скорость прохождения водно-солевого раствора через магниты - 8 л/мин.

В результате получены детали чистые, светлые, без следов окалины. При этом твердость деталей по методу Викерса составила 310 HV.

Пример 2.

Образцы деталей толщиной 3 мм в количестве 50 штук различной конфигурации из бериллиевой бронзы помещают в электрическую печь с открытым нагревателем в стальных поддонах, нагревают до температуры 320°C, выдерживают их в печи в течение 2 часов при температуре 320°C и охлаждают подвергнувшейся магнитной обработке - прошедшей через ряд чередующихся постоянных магнитов выпуклой и вогнутой формы, водно-солевой смесью 7%-ного водного раствора хлористого натрия и 1%-ного водного раствора соляной кислоты, взятых в соотношении 1:1. Напряженность магнитного поля, создаваемого при этом, - 1000 Э, а скорость прохождения водно-солевого раствора через магниты - 10 л/мин. При испытании получены детали чистые, без следов окалины, светлые. При этом твердость деталей по методу Викерса составила 360 HV.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить процесс термообработки в печах с открытыми нагревателями при температуре 300-320°C, с последующим выдерживанием их в течение 2 часов и с дальнейшим охлаждением в водно-солевом растворе, представляющем собой смесь 3-7%-ного водного раствора хлористого натрия и 0,5-1%-ного водного раствора соляной кислоты, взятых в соотношении 1:1, при этом водно-солевой раствор предварительно подвергают магнитной обработке, пропуская его со скоростью 8-10 л/мин через ряд чередующихся постоянных магнитов выпуклой и вогнутой формы, создающих магнитное поле напряженностью 950-1000 Э.

Кроме того, данный способ опробован и используется в производстве для термической обработки деталей из бериллиевой бронзы разных конструкций и различной толщины на опытном заводе ОАО «Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт». По способу детали получаются чистыми, светлыми, без следов окалины, твердость деталей по Викерсу составила от 310 до 360 HV. Таким образом на опытном заводе произведено множество партий деталей из бериллиевой бронзы.