BR0300445B1 - liga de cobre endurecÍvel e processo para preparaÇço da mesma. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DECOBRE ENDURECÍVEL E PROCESSO PARA PREPARAÇÃO DA MES-MA".

A presente invenção refere-se a uma liga de cobre endurecívelcomo matéria- prima para preparação de blocos para as calhas laterais deinstalações de Iingotamento de tiras.

O alvo mundial, em particular da indústria de aço e de cobre, defundir produtos semi-acabados o mais próximo possível das medições finais,para economizar etapas de conformação a quente e/ou a frio já levou, mes- mo antes de 1970, ao desenvolvimento da denominada instalação de Iingo-tamento de tiras Hazelett, na qual o fundido metálico endurece na fenda deduas cintas paralelamente dispostas. As calhas laterais consistem, na insta-lação de Iingotamento de tiras conhecidas do pedido US 3 865 176, de blo-cos de calhas laterais ou blocos moldados metálicos com ranhuras T, que estão enfileirados em uma faixa sem fim flexível, por exemplo, de aço, e quese movem sincronicamente na direção longitudinal com as tiras fundidas. Osblocos de calhas laterais (DambIocks) limitam-se, assim, com um espaçooco moldado de fundição formado pelas tiras fundidas.

Além disso, são conhecidas da EP O 974 413 A1 cadeias de ca- lhas laterais formadas com blocos macho e fêmea para instalações de Iingo-tamento de tiras. A vantagem desses blocos moldados posteriormente de-senvolvidos com macho e fêmea está em uma montagem mais exata e con-dução dos blocos no processo de fundição, o que leva a um aperfeiçoamen-to da qualidade das superfícies da fita fundida. Para impedir um desgaste prévio dos cantos laterais dos blocos através da deformação e formação detrincas, uma matéria-prima apropriada deve apresentar uma elevada durezae resistência, um semiacabado (tarugo) de grão fino e uma boa resistência aamolecimento a longo prazo. Para remover um calor de solidificação damassa fundida metálica líquida, além disso, é necessário uma elevada con-dutividade térmica da matéria-prima do bloco moldado.

Finalmente, é de significado particularmente decisivo, o ótimocomportamento do material quanto à fadiga, o que assegura que, apósdeixar a linha de fundição, as tensões térmicas que ocorrem no resfri-amento dos blocos não levam à ruptura dos blocos nos cantos das ranhurasT feitas para receber a tira de aço. Tensões térmicas particularmente altasda tira de aço são assim de se esperar - devido à geometria e à distribuiçãode massa desfavoráveis - nos blocos das calhas laterais na execução commacho e fêmea.

Ocorrendo este tipo de trincas provocadas por choques térmi-cos, logo após um curto espaço de tempo, o bloco moldado em questão saifora da cadeia de calha lateral da máquina de fundição de fita, sendo quemetal líquido fundido pode escorrer descontroladamente do espaço oco mol-dado para fundição e pode danificar as peças da instalação. Para a trocados blocos moldados danificados, toda a instalação de fundição da fita deveser parada e o processo de fundição é interrompido.

Para verificação da tendência a trincas assegurou-se um método de teste,pelo qual os blocos moldados são submetidos por duas horas a um trata-mento térmico a 500°C e em seguida são resfriados rapidamente em água a20 até 25°C. Também em diversas repetições dessa verificação por choquestérmicos não deve ocorrer nenhuma fissura na superfície das ranhuras T emum material apropriado.

Na EP 0 346 645 B1 é descrita uma liga endurecível à base decobre, que consiste em 1,6 até 2,4% de níquel, 0,5 até 0,8% de silício, 0,01até 0,2% de zircônio, à escolha até 0,4% de cromo e/ou 0,2% de ferro, e orestante de cobre inclusive impurezas de preparações. Essa conhecida ligade cobre preenche basicamente as exigências de um tempo padrão elevado,caso ela seja empregada como matéria-prima para a preparação de blocosmoldados padrão para as calhas laterais de instalações de Iingotamento detiras. Para essa liga de cobre é indicada a seguinte combinação de proprie-dades:

Rm a 20°C: 635 até 660 MPa

Rm a 500°C: 286 até 372 MPa

Dureza de Brinell: 185 até 191 HB (corresponde a cerca de 195 até 210 HV)Condutividade: 41,4 até 43,4% IACSNo teste de choque térmico não ocorre nenhuma fissura. Umavantagem perante ligas à base de cobre contendo berílio consiste na possi-bilidade de poder rebarbar, manualmente, os blocos moldados, já que nãoestá contido nenhum berílio na poeira do corte. O pós-processamento dosblocos das calhas laterais empregados com macho e fêmea é altamente dis-pendioso e exige, em regra, uma purificação (úmida), à máquina, da ranhuraT e das superfícies de fundição (por exemplo, em câmeras fechadas), com oque é evitada a liberação de Iimalhas de corte. Um emprego de ligas con-tendo berílio seria assim basicamente possível sob essas condições.

Um bloco de calhas laterais da liga de CuNiSiZr descrita na EP 0346 645 B1, entretanto, sob exigências mecânicas e térmicas muito altas noprocesso de fundição de uma instalação de Iingotamento de tiras, tendedesvantajosamente a desgaste prematuro dos cantos laterais e superfíciesde fundição. Este desgaste - como resultados de verificação mostraram - éatribuído a um amaciamento da matéria-prima dos cantos e superfícies defundição com um valor abaixo de 160 HV. Além disso, a resistência a cho-que térmico da liga de CuNiSiZr conhecida nem sempre é suficiente comemprego de bloco de calhas laterais com macho e fêmea, para evitar efi-cazmente uma formação de fissura na superfície T de ranhura.

Partindo-se do estado da técnica, a invenção tem como tarefacolocar à disposição uma liga de cobre endurecível como matéria-prima paraa preparação de blocos de calhas laterais de instalações de Iingotamento detiras, particularmente aquelas para a execução de macho e fêmea, que tam-bém seja insensível a elevadas velocidades de fundição perante exigênciasvariadas de temperatura, e que apresente uma elevada resistência a des-gaste ou resistência a amaciamento, assim como uma grande resistênciacontra formação de fissura na superfície de ranhura T.

Essa tarefa é solucionada com as características indicadas nareivindicação de patente 1.

Através do emprego de uma liga à base de cobre de 1,2 até2,7% em peso de cobalto, 0,3 até 0,7% em peso de berílio, 0,01 até 0,5%em peso de zircônio, à escolha 0,005 até 0,2% em peso de magnésio e/ouferro, e como restante cobre inclusive impurezas devidas à preparação eigualmente aditivos de elaboração e aditivos de elaboração usuais pode, porum lado, ser assegurado um suficiente enrijecimento da matéria-prima paraobtenção de uma elevada resistência, dureza e condutividade. Por outro Ia- do é necessária uma deformação a frio relativamente pequena, de no máxi-mo 40% em peso, para assegurar um semiacabado de grão fino com sufici-ente plasticidade. Através do teor de zircônio objetivamente calibrado, sãoaperfeiçoados tanto a resistência à fadiga como também as propriedades deresistência a calor.

Um aperfeiçoamento das propriedades mecânicas dos blocosdas calhas laterais, particularmente um aumento da resistência à tração, po-de ser vantajosamente obtido de acordo com a reivindicação 2, pelo fato deque a liga de cobre contém 1,8 até 2,4% em peso de cobalto, 0,45 até 0,65%em peso de berílio, 0,15 até 0,3% em peso de zircônio, até 0,05% em peso de magnésio e/ou 0,1 % de ferro.

A invenção permite que, relativamente às características da rei-vindicação 3, na liga de cobre até 80% do teor de cobalto possa ser substitu-ído por níquel.

Outros aperfeiçoamentos das propriedades mecânicas de um bloco de calhas laterais podem ser obtidos, quando a liga de cobre contémgrupos abrangendo até no máximo 0,15% em peso de pelo menos um ele-mento de nióbio, tântalo, vanádio, háfnio, cromo, manganês, titânio e cério.Agentes de desoxidação usuais, como boro, lítio, cálcio, alumínio e fósforo,podem igualmente ser adicionados até no máximo 0,03% em peso sem in-fluenciar negativamente as propriedades mecânicas da liga de cobre de a-cordo com a invenção.

De acordo com uma outra forma de execução (reivindicação 4)uma fração do teor de zircônio pode ser substituída por um grupo abrangen-do até 0,15% em peso de pelo menos um elemento de cério, háfnio, nióbio, tântalo, vanádio, cromo, manganês e titânio.

Vantajosamente os blocos para as calhas laterais de instalaçõesde fundição de dupla faixa da liga de cobre de acordo com a invenção sãopreparados, segundo a reivindicação 5, pelas etapas de fundição, conforma-ção a quente, conformação a frio até 40%, solubilização a uma temperaturana faixa de temperatura de 850 até 970 °C, assim como um envelhecimentode 0,5 até 16 horas a 400 até 550°C.

Com particular vantagem a liga de cobre de acordo com a rei-vindicação 6 após a conformação a quente pode ser moldada a frio em tornode 5 até 30%. Um grau de conformação a frio dentro dessa faixa de 10 até15% é assim particularmente preferido.

É particularmente vantajoso quando, os blocos das calhas Iate-rais no estado envelhecido, de acordo com as reivindicações 8 e 9, apresen-tam uma resistência a tração de pelo menos 650 MPa, particularmente 700até 900 MPa, uma dureza de Vicker de pelo menos 210 HV1 particularmente230 até 280 HV, uma condutividade elétrica de pelo menos 40% IACS, parti-cularmente 45 até 60% IACS, uma resistência a tração por calor a 500°C depelo menos 400 MPa, particularmente de pelo menos 450 MPa, uma durezamínima de 160 HV após 500 horas de armazenamento a 500°C e um tama-nho máximo de grão segundo ASTM E 112 de 0,5 mm.

São particularmente preferidos blocos de calhas laterais da ligade cobre de acordo com a invenção segundo a reivindicação 10, quandoelas no estado envelhecido apresentam um tamanho de grão entre 30 e 90pm, determinado segundo ASTM E 112.

Com a seqüência das etapas de processo indicadas na reivindi-cação 5 consegue-se, além disso, de maneira surpreendentemente maissimples, que sejam evitados os péssimos resultados da recristalização verifi-cados com as ligas de CuCoBe conhecidas da conformação a quente e dotratamento de solubilização. O péssimo comportamento de recristalizaçãoleva a uma microestrutura do grão, na preparação de blocos moldados deligas de CuCoBe no estado moldado a quente, de solubilização, e no estadoenvelhecido, tamanhos de grão até acima de 1 mm o que, para o propósitode emprego não é aceitável. Caso a matéria-prima, entretanto, seja subme-tida, entre a conformação a quente e o tratamento de solubilização, a umaconformação a frio até no máximo 40%, de preferência até no máximo 15%,então esta etapa de processamento adicional leva a uma estrutura de micro-estrutura de grãos muito mais finos. Séries de teste correspondentes consta-ram que materiais para blocos moldados para as calhas laterais de máqui-nas de Iingotamento de tiras, que são moldadas a frio abaixo da temperaturade recristalização e em seguida têm a solução calcinada, apresentam umamicroestrutura visivelmente mais fina com tamanhos de grão abaixo de 0,5mm, enquanto que graus de deformação a frio acima de 40% na solubiliza-ção subsequente levam a um espessamento do grão devido à recristalizaçãosecundária com tamanhos de grão acima de 1 mm.

Por meio de exemplos de execução a invenção é a seguir aindaminuciosamente esclarecida. Em três das ligas de acordo com a invenção(A, B e C) e três elementos comparativos (D, EeF) são mostradas as van-tagens das ligas de cobre de acordo com a invenção. A composição das li-gas de cobre em porcentagem em peso são indicadas na tabela 1 que sesegue:

Tabela 1

<table>table see original document page 7</column></row><table>

A composição da liga D trata-se de uma liga à base de CuNiSiconhecida, enquanto que EeF são materiais de CuCo2Be ou CuCoNiBenormatizadas.

As demais ligas de cobre foram derretidas em um forno de indu-ção Stiegel e vertidas no processo de fundição contínua em blocos redondoscom um diâmetro de 280 mm. Os blocos redondos das ligas do exemplo A,BeC foram prensados por extrusão para formar hastes planas de medida79 χ 59 mm, a uma temperatura acima de 900°C, e em seguida vertidos comuma redução transversal de 12% na medida 75 χ 55 mm. Os blocos das Ii-gas de comparação D, E e F foram prensados continuamente a mesma tem-peratura diretamente na medida de 75 χ 55 mm e não foram adicionalmentesubmetidos a nenhuma conformação a frio adicional. Os materiais CuCoBe eCuCoNiBe foram primeiramente calcinadas em solução a 900 até 950°C eendurecidas na faixa de temperatura entre 450 e 550°C por 0,5 até 16 horas.

A liga à base de CuNiSi foi calcinada em solução a 800 até950°C e endurecida sob as mesmas condições. No estado envelhecido aresistência à tração Rm1 a dureza Vicker HV10, a condutividade elétrica(como grandeza substituta para a condutividade térmica), o tamanho do grãosegundo ASTM E112, a resistência térmica Rm a 500°C e a resistência aamaciamento com medição de dureza Vicker (HV10) foram verificados apósarmazenamento a 500°C com uma duração de 500 horas.

Em blocos moldados (1) de medida 70 χ 50 χ 40 mm e blocosmoldados (2) com macho e fêmea de medida 70 χ 50 χ 47 mm foi finalmenteverificado o comportamento com choque térmico. Para tanto calcinou-seprimeiramente por duas horas a 500°C e depois resfriou-se bruscamente emágua a 20 até 25°C. Na superfície T de ranhuras dos blocos foram entãoverificadas trincas a olho nú e observadas com um microscópio com aumen-to de 10 x.

Os resultados totais da verificação estão resumidos na tabela 2que se segue.<formula>formula see original document page 9</formula>A dilatação das trincas verificadas na superfície T das ranhurassituou-se, com os blocos moldados classificados de "fissuráveis", na faixa a2 até 5 mm, em casos individuais o comprimento das trincas foi de até 10mm. Pode-se deduzir da comparação que, com os materiais EeF, apenasos semiacabados preparados com ligas de cobre A, B e C de acordo com ainvenção por baixa conformação a frio adicional apresentam microestruturasde grão surpreendentemente homogêneos e finas e a necessária resistênciacontra formação de trincas, mediante emprego como bloco moldado commacho e fêmea. Também com o emprego como bloco moldado usual asligas de cobre de acordo com a invenção apresentam uma resistência aamaciamento visivelmente aperfeiçoada comparado com a liga D CuNiSiconhecida e uma melhor resistência a amaciamento comparado com as ligasE e F.

A liga de cobre de acordo com a invenção é excelentemente a-propriada, portanto, como matéria-prima para preparação de todos os blocosmoldados que se encontram sob uma exigência variada de temperatura, típi-ca na etapa de fundição, para as calhas laterais das fundições de fitas. Istovale, tanto para os blocos moldados empregados até agora, como tambémpara os blocos moldados na execução com macho e fêmea de acordo com aEP 0 974 413 A1.

Claims (10)

1. Liga de cobre endurecível caracterizada pelo fato de conter de-1,2 a 2,7% de cobalto, em que até 80% do teor de cobalto pode ser substitu-ído por níquel, 0,3 a 0,7% de berílio, 0,01 a 0,5% de zircônio, pelo menos-0,005 a 0,2% de magnésio e/ou 0,005% a 0,2% de ferro e opcionalmente aténo máximo 0,15% de pelo menos um elemento do grupo incluindo nióbio,tântalo, vanádio, háfnio, cromo, manganês, titânio e cério, e o restante decobre, inclusive impurezas causadas pela produção, como matéria-primapara preparação de blocos para as calhas laterais de instalações de Iingo-tamento de tiras.

2. Liga de cobre de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de conter 1,8 a 2,4% de cobalto, 0,45 a 0,65% de berílio, 0,15 a-0,3% de zircônio, até 0,05% de magnésio, até 0,1% de ferro, restante decobre, inclusive impurezas devidas à preparação e aditivos de processamen-to usuais.

3. Liga de cobre de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte-rizada pelo fato de que até 80% do teor de cobalto é substituída por níquel.

4. Liga de cobre de acordo com qualquer uma das reivindica-ções 1 a 3, caracterizada pelo fato de que uma parte do teor de zircônio ésubstituído por até 0,15% de pelo menos um grupo abrangendo um elemen-to de cério, háfnio, nióbio, tântalo, cromo, manganês, titânio e vanádio.

5. Processo para preparação de uma liga de cobre endurecível,caracterizado pelo fato de empregar uma liga de cobre endurecível comodefinida em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que a peça brutasemiacabada após a conformação a quente ser submetido a 40% de con-formação a frio, depois ser tratado com uma solução a quente a uma tempe-ratura na faixa de 850 a 970°C, e em seguida ser submetida a um tratamen-to de envelhecimento de 0,5 a 16 horas a 400 a 550°C.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que, após a etapa de processo de conformação a quente, é fornecidaa conformação a frio de 5 a 30%.

7. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizadopelo fato de que, após a conformação a quente, é fornecida a conformação afrio de 10 a 15%.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a-7, caracterizado pelo fato de que no estado envelhecido apresenta uma re- sistência a tração de pelo menos 650 MPa, uma dureza de Vicker de pelomenos 210 HV1 uma condutividade elétrica de pelo menos 40% IACS, umaresistência a tração a quente a 500°C de pelo menos 400 MPa1 uma durezamínima de 160 HV após armazenamento por 500 horas a 500°C, e um ta-manho máximo de grão de 0,5 mm segundo ASTM E112.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a-8, caracterizado pelo fato de que o estado envelhecido apresenta uma resis-tência a tração de 700 a 900 MPa1 uma dureza Vicker de 230 a 280 HV1 umacondutividade elétrica de 45 a 60% IACS, uma resistência a tração a quentea 500°C de pelo menos 450 MPa e uma dureza mínima de 160 HV após ar-mazenamento por 500 horas a 500°C.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5a 9, caracterizado pelo fato de apresentar um tamanho de grão entre 30 e-90 pm segundo ASTM E 112.