CH646998A5

CH646998A5 - CUALCO ALLOYS HIGH WEAR RESISTANCE.

Info

Publication number: CH646998A5
Application number: CH478780A
Authority: CH
Inventors: Gerard Barbezat
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1980-06-23
Filing date: 1980-06-23
Publication date: 1984-12-28
Also published as: DE3065458D1; EP0042455A3; EP0042455B1; EP0042455A2

Description

Die Erfindung betrifft eine CuAlCo-Legierung hoher Verschleissfestigkeit und mit feinem Gefüge, die als Verunreinigungen mindestens P, S, Zn, Nr, Si, Sn und Pb enthält. The invention relates to a CuAlCo alloy with high wear resistance and with a fine structure which contains at least P, S, Zn, Nr, Si, Sn and Pb as impurities.

Legierungen der genannten Art sind bekannt (US-PS 3 117 002); sie dienen vor allem als Tiefziehwerkzeuge und Verschleissteile und werden als Sandguss oder Strangguss, als Schmiede- oder extrudierte Werkstücke und/oder als Schweissmaterial, beispielsweise zum Schweissplattieren, verwendet. Alloys of the type mentioned are known (US Pat. No. 3,117,002); They serve primarily as deep-drawing tools and wearing parts and are used as sand casting or continuous casting, as forged or extruded workpieces and / or as welding material, for example for welding cladding.

Für viele Anwendungen ist bei diesen Legierungen der Verschleiss, d.h. die Abnützung bei Relativ-Bewegungen gegenüber anderen Materialien, beispielsweise Stahl, für heutige Anforderungen zu hoch. Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mechanischen Eigenschaften und insbesondere das Verschleissverhalten der bekannten Legierungen zu verbessern. For many applications, the wear, i.e. the wear on relative movements compared to other materials, such as steel, is too high for today's requirements. The object of the invention is therefore to improve the mechanical properties and in particular the wear behavior of the known alloys.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Legierungen gelöst, deren Zusammensetzung (in Gew. %) According to the invention, this object is achieved by alloys whose composition (in% by weight)

AI 14 -16; Fe 4 - 6; Co 2,5 - 3,5; Mn 1 -1,5; Cr 0,4 - 0,8; Zr 0,01 - 0,5; Be 0 - 0,2; Rest Cu beträgt, wobei die Summe von Fe und Co gleich oder grösser als 7,5 ist, und deren Gefüge im Gusszustand Korngrössen zwischen 20 bis 50 um enthält. AI 14 -16; Fe 4-6; Co 2.5-3.5; Mn 1 -1.5; Cr 0.4-0.8; Zr 0.01-0.5; Be 0-0.2; The remainder is Cu, the sum of Fe and Co being equal to or greater than 7.5, and the structure of which, in the as-cast state, contains grain sizes between 20 and 50 μm.

Zwar sind nicht nur mehrere der genannten Komponenten, sondern auch ihre bei der erfindungsgemässen Legierung verwendeten prozentualen Anteile aus der genannten US-PS bekannt; die Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Legierungen jedoch durch einen geringeren Mn-Anteil, durch die Legierungskomponente Zr und durch engere Toleranzen in den Cr-, Fe- und Co-Anteilen. Gerade diese Unterschiede sind nach Versuchen der Anmelderin jedoch massgebend für die um den Faktor 5 bis 10 feineren Korngrössen, die bei den bekannten Legierungen zwischen 100 bis 500 (im betragen, und damit für die verbesserten Ver-schleisseigenschaften. It is true that not only several of the components mentioned, but also their percentages used in the alloy according to the invention are known from the US patent mentioned; the invention differs from the known alloys, however, by a lower Mn content, by the alloy component Zr and by tighter tolerances in the Cr, Fe and Co contents. However, according to the applicant's experiments, it is precisely these differences which are decisive for the grain sizes which are finer by a factor of 5 to 10, which in the known alloys are between 100 and 500 µm, and thus for the improved wear properties.

Die Giessbarkeit, d.h. vor allem die Fliessfähigkeit, der The castability, i.e. especially the flowability, the

Legierungsschmelze lässt sich verbessern, wenn sie bis zu 0,2 Be enthält; durch diesen Zusatz werden in erster Linie die Bildung von A1203 und die Gefahr von Oxid-Einschlüssen in der Schmelze herabgesetzt. Alloy melt can be improved if it contains up to 0.2 Be; This addition primarily reduces the formation of A1203 and the risk of oxide inclusions in the melt.

s Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zr- und/oder Be-Anteil der Legierung mindestens teilweise über Schmelzbehandlungen bei Temperaturen zwischen 1150 und 1250 °C innerhalb der letzten 30 Minuten vor dem Abguss durch Zu-lo gaben von Mengen dieser Stoffe erreicht wird, die die genannten Endgehalte gewährleisten. Die Schmelzbehandlung bewirkt vor allem die angestrebte, für das verbesserte Verschleissverhalten notwendige Feinheit des Gefüges, die ein Charakteristikum der vorliegenden Erfindung ist. 15 Die mechanischen Eigenschaften, die in gewissem Umfang durch Variationen der Zusammensetzung innerhalb der angegebenen Bereiche beeinflusst werden können - so ist z.B. die erzielte Härte abhängig vom Al-Gehalt -, ergeben beispielsweise für sandgegossene Werkstücke im Gusszu-20 stand folgende Werte: A method for producing the alloy according to the invention is characterized in that the Zr and / or Be portion of the alloy is at least partially melted at temperatures between 1150 and 1250 ° C. within the last 30 minutes before casting by adding Amounts of these substances are reached, which ensure the final contents mentioned. The melt treatment primarily brings about the desired fineness of the structure, which is necessary for the improved wear behavior, which is a characteristic of the present invention. 15 The mechanical properties, which can be influenced to a certain extent by variations in the composition within the specified ranges - for example, the hardness achieved depends on the Al content -, for example for sand cast workpieces in cast iron 20 the following values:

Dehngrenze, Rp 0,02 = 250-350 N/mm2 Zugfestigkeit, Rm = 350-500 N/mm2 Yield strength, Rp 0.02 = 250-350 N / mm2 tensile strength, Rm = 350-500 N / mm2

Dehnung, A5 = 1-0,2% Elongation, A5 = 1-0.2%

Härte, HB 10/3000 = 280-420 25 Druckfestigkeit, RdB = 1200-1400 N/mm2 Quetschgrenzen, Rdf = 750-950 N/mm2 Diese Werte lassen sich weiter verbessern, wenn man das gegossene Werkstück bei Temperaturen bis zu 1000 °C einer Normalisierungsbehandlung unterzieht, bei der die Haltezeit 30 mindestens 1 Stunde und zusätzlich pro 25 mm Wanddicke eine weitere Stunde beträgt und die Abkühlung in ruhender Luft erfolgt, wobei bei der Aufheizung bis zum Erreichen von Temperaturen um 600 °C eine Erwärmungsgeschwindigkeit von höchstens 200 °C pro Stunde einzuhalten ist. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh- Hardness, HB 10/3000 = 280-420 25 Compressive strength, RdB = 1200-1400 N / mm2 crushing limits, Rdf = 750-950 N / mm2 These values can be further improved if the cast workpiece at temperatures up to 1000 ° C undergoes a normalization treatment in which the holding time 30 is at least 1 hour and an additional hour for every 25 mm wall thickness and the cooling takes place in still air, with a heating rate of at most 200 ° C when heating up to temperatures of around 600 ° C is to be observed per hour. In the following, the invention is explained on the basis of an embodiment.

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rungsbeispiels näher erläutert. example explained in more detail.

Es soll eine Schmelze von 100 kg einer erfindungsgemässen CuAlCo-Legierung hergestellt werden, bei der das gegossene Werkstück eine Brinellhärte von 380 HB im Gusszu-40 stand besitzen soll. A melt of 100 kg of a CuAlCo alloy according to the invention is to be produced, in which the cast workpiece should have a Brinell hardness of 380 HB in the cast state.

Als Einsatz werden % (33 kg) Rücklauf aus dem geforderten Material und % neues Material verwendet, wobei das Einsatzmaterial möglichst rein sein soll. Neben den 33 kg Rücklaufmaterial werden dafür bereitgestellt: 45 Cu (reines Elektrolyt-Material) 46,5 kg % (33 kg) return from the required material and% new material are used as the insert, the feed material being as pure as possible. In addition to the 33 kg return material, 45 Cu (pure electrolyte material) and 46.5 kg are provided

Mn (reines Elektrolyt-Material) 0,9 kg Mn (pure electrolyte material) 0.9 kg

Co (reines Elketrolyt-Material) 2 kg eine Vorlegierung FeAI mit 36% AI 5,4 kg Co (pure electrolyte material) 2 kg a FeAI master alloy with 36% AI 5.4 kg

AI (rein) 8,2 kg so eine Vorlegierung CuCr mit 10% Cr 4 kg weiterhin muss zusätzlich zur Kompensation des Al-Abbrandes nochmals 500 g Al zur Verfügung stehen. Al (pure) 8.2 kg such a pre-alloy CuCr with 10% Cr 4 kg further 500 g Al must be available in addition to compensate for the Al erosion.

Unter leicht oxidierenden, atmosphärischen Bedingungen werden in einem Mf-Induktionsofen, der mit einem Grass phit-Tiegel ausgerüstet ist, zunächst das Rücklaufmaterial, Mn, Cu, Co und die Vorlegierung CuCr erschmolzen, wobei als Schlackenbilder 0,5% Kryolith in die Schmelze zugegeben werden; anschliessend wird die Vorlegierung FeAI eingefügt und danach das reine Aluminium in die Schmelze ge-6o bracht. Under slightly oxidizing, atmospheric conditions, the return material, Mn, Cu, Co and the master alloy CuCr are first melted in an Mf induction furnace equipped with a grass phit crucible, with 0.5% cryolite being added to the melt as slag formers will; The FeAI master alloy is then inserted and the pure aluminum is then brought into the melt.

Etwa 10 bis 20 Minuten vor dem Abguss wird die Schmelze bei 1200 °C mit Zirkon (Zr) behandelt. Für diese Schmelzbehandlung wird eine Menge von 0,1 % Zirkon verwendet in Form von einer Vorlegierung CuZr 50 (50% Cu, 65 50% Zr), die der Schmelze zugegeben wird. Abschliessend wird die Legierung bei 1180 °C in Sandformen abgegossen. About 10 to 20 minutes before casting, the melt is treated with zirconium (Zr) at 1200 ° C. For this melt treatment, an amount of 0.1% zircon is used in the form of a master alloy CuZr 50 (50% Cu, 65 50% Zr), which is added to the melt. Finally, the alloy is poured into sand molds at 1180 ° C.

Die chemische Analyse ergibt - neben den üblichen Verunreinigungen, die so tief wie wirtschaftlich sinnvoll gehalten The chemical analysis reveals - in addition to the usual impurities, which are kept as deep as economically sensible

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werden und im wesentlichen aus P (max 0,05); S (max. 0,1); Si (max. 0,1); Sn (max. 0,2); Zn (max. 0,2); Pb (max. 0,05) und Ni (max. 0,4) bestehen - folgende Zusammensetzung: Al = 15% become and essentially from P (max 0.05); S (0.1 max); Si (0.1 max); Sn (max 0.2); Zn (max 0.2); Pb (max. 0.05) and Ni (max. 0.4) exist - the following composition: Al = 15%

Fe = 5,4% Fe = 5.4%

Co = 3% Co = 3%

Mn = 1,25% Mn = 1.25%

Cr = 0,6% Cr = 0.6%

Zr = 0,07% Zr = 0.07%

Cu = Rest Cu = rest

Das gegossene Werkstück wird anschliessend durch eine Wärmebehandlung zwischen 900 und 950 °C normalisiert, wobei es mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 150 °C pro Stunde in Luft bis auf etwa 600 °C und anschliessend mit höherer Aufheizgeschwindigkeit auf 950 °C aufgeheizt wird. Bei dieser Temperatur wird es dann 1 Stunde und zusätzlich je 25 mm Wanddicke nochmals 1 Stunde gehalten, ehe es an ruhender Luft abgekühlt wird. The cast workpiece is then normalized by a heat treatment between 900 and 950 ° C, whereby it is heated at a heating rate of 150 ° C per hour in air to about 600 ° C and then at a higher heating speed to 950 ° C. It is then held at this temperature for 1 hour and an additional 1 hour each 25 mm wall thickness before it is cooled in still air.

Für die mechanischen Eigenschaften sind danach folgende Werte gemessen worden: The following values were then measured for the mechanical properties:

Dehngrenze, Rp 0,02 = 300 N/mm2 Zugfestigkeit, Rm = 380 N/mm2 Dehnung, A 5 = 0,4% Yield strength, Rp 0.02 = 300 N / mm2 tensile strength, Rm = 380 N / mm2 elongation, A 5 = 0.4%

Härte, HB 10/3000 = 380 Druckfestigkeit, RdB = 1150 N/mm2 Quetschgrenze, RdF = 850 N/mm2 Hardness, HB 10/3000 = 380 compressive strength, RdB = 1150 N / mm2 crushing limit, RdF = 850 N / mm2

Die beigefügte graphische Darstellung der Fig. 1 verdeutlicht in einem Vergleich die relativen Verschleissfestigkeiten einer bekannten Legierung der genannten Art (Säule 1) und der erfindungsgemässen Legierung gemäss Beispiel 1 (Säule 2). Auf der Ordinate der Darstellung ist in mg der durch Wägung ermittelte jeweilige Abrieb aufgetragen, der sich bei einem Standard-Verschleissversuch ergibt. Bei diesem Versuch läuft ein mit etwa 30 N belasteter Rollkörper aus rostfreiem 18/8-Cr/Ni-Stahl in einem Gleitkörper aus der zu prüfenden s Legierung ohne Schmiermittel eine festgelegte Zeitdauer, die im vorliegenden Fall 20 Stunden beträgt. Der dabei entstehende Abrieb wird gesammelt und gewogen. The attached graphic representation of FIG. 1 illustrates in a comparison the relative wear resistance of a known alloy of the type mentioned (column 1) and the alloy according to the invention according to example 1 (column 2). The ordinate of the display shows the respective abrasion determined by weighing, which results from a standard wear test. In this experiment, a rolling element made of 18/8-Cr / Ni stainless steel loaded with approximately 30 N runs in a sliding element made of the alloy to be tested without a lubricant for a fixed period of time, which in the present case is 20 hours. The resulting abrasion is collected and weighed.

Wie Fig. 1 zeigt, ergeben sich für die bekannte Legierung dabei - aus mehreren Messungen gemittelt - Werte zwischen io 550 und 800 mg/20 h - der Streubereich ist jeweils schraffiert angegeben -, während bei der neuen Legierung Werte zwischen 250 und 550 mg pro 20 Stunden gemessen worden sind. As shown in FIG. 1, the known alloy - averaged over several measurements - has values between 550 and 800 mg / 20 h - the scattering range is indicated by hatching - while the new alloy has values between 250 and 550 mg per 20 hours have been measured.

Fig. 2a und 2b stellen in 100-facher Vergrösserung metal-15 lographische Schliffbilder dar, aus denen sofort die Unterschiede in den Korngrössen ersichtlich sind; in Fig. 2a ergeben sich für die bekannte Legierung, wie bereits erwähnt, Korngrössen von etwa 300 um, während aus Fig. 2b für die erfindungsgemässe Legierung Korngrössen von 40 um be-20 stimmt werden können. 2a and 2b show metal-15 lographic micrographs in 100x magnification, from which the differences in the grain sizes can be seen immediately; In FIG. 2a, grain sizes of about 300 μm are obtained for the known alloy, as already mentioned, while grain sizes of 40 μm can be determined from FIG. 2b for the alloy according to the invention.

Wie bereits erwähnt, ist die Anwendung der neuen Legierung nicht auf Werkstücke aus Sandguss beschränkt; so können daraus auch im Strangguss oder durch Extrudieren hergestellte Elektroden für eine Auftragsschweissung, bei-25 spielsweise auf unlegiertem Stahl, hergestellt werden. Durch Extrudieren bei Temperaturen zwischen 900 und 950 °C lassen sich daraus weiterhin Barren oder Drähte für die Produktion von Verschleissteilen gewinnen. Weiterhin ist es möglich, die neue Legierung, ebenfalls bei Temperaturen 30 zwischen 900 und 950 °C, zu schmieden. As already mentioned, the application of the new alloy is not limited to workpieces made of sand casting; it can also be used in continuous casting or extrusion to produce electrodes for build-up welding, for example on unalloyed steel. By extruding at temperatures between 900 and 950 ° C, bars or wires can still be obtained for the production of wear parts. It is also possible to forge the new alloy, also at temperatures between 900 and 950 ° C.

s s

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

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1. CuAlCo alloy with high wear resistance and a fine structure, which contains at least P, S, Zn, Ni, Si, Sn and Pb as impurities, characterized by the following composition (in% by weight):

AI 14 -16; Fe 4-6; Co 2.5-3.5; Mn 1 to 1.5;

Cr 0.4-0.8; Zr 0.01-0.5; Be 0-0.2; Balance Cu,

the sum of Fe and Co being equal to or greater than 7.5, further characterized by a structure with grain sizes in the as-cast state between 20 and 50 µm.

2. A method for producing an alloy according to claim 1, characterized in that the Zr and / or Be portion of the alloy is at least partially melted at temperatures between 1150 and 1250 ° C within the last 30 minutes before casting by adding amounts of these substances is achieved, which guarantee the final contents mentioned.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 2 for workpieces cast as sand casting, characterized in that the cast workpiece is subjected to a normalization treatment at temperatures up to 1000 ° C, in which the holding time is at least 1 hour and an additional hour per 25 mm wall thickness and the Cooling takes place in still air, with a heating rate of at most 200 ° C per hour being observed until the temperature has reached 600 ° C.