CZ282842B6

CZ282842B6 - Použití vytvrditelné slitiny mědi

Info

Publication number: CZ282842B6
Application number: CS923696A
Authority: CZ
Inventors: Horst Gravemann; Thomas Helmenkamp
Original assignee: Km-Kabelmetal Aktiengesellschaft
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1997-10-15
Also published as: MX9206426A; FI925597A0; DE4142941A1; ZA929480B; SK369692A3; AU661529B2; DE59208945D1; PL170470B1; AU3037292A; EP0548636B1; JP3504284B2; CA2086063A1; BR9205131A; KR930013179A; KR100260058B1; RU2102515C1; SK280704B6; GR3025195T3; FI97108C; TR27606A

Abstract

Použití vytvrditelné slitiny mědi z 1,0 až 2,6 % hmotnosti niklu, 0,1 až 0,45 % hmotnosti berylia, zbytek měď, včetně nečistot podmíněných výrobu a obvyklých zpracovatelských přísad, s tvrdostí podle Brinella alespoň 200 HB a součinitelem elektrické vodivosti nad 38 m/.OMEGA. mm.sup.2.n., jako materiálu pro výrobu licích válců a licích kol, které se při lití na rozměry blízké konečným rozměrům podrobují střídavému teplotnímu namáhání.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vytvrditelné slitiny mědi pro výrobu licích válců a licích kol, které jsou při lití na konečně rozměry podrobovány střídavému teplotnímu namáhání, s tvrdostí podle Brinella alespoň 200 HB a s elektrickou vodivostí vyšší 38 než Sm/mm'.

Dosavadní stav techniky

Všeobecně rozšířený cíl, zejména ocelářského průmyslu, odlévat polotovary na rozměry co nejbližší konečným rozměrům, aby nemusely být prováděny operace tváření za tepla a/nebo za studená, vedl již od roku 1980 k řadě vylepšení, například ke kontinuálnímu lití s jedním a dvěma válci.

U těchto způsobů kontinuálního lití se vyskytují na vodou chlazených válcích při odlévání ocelových slitin, niklu, mědi, jakož i slitin, které se válcují za tepla jen velmi obtížně, v oblasti nalévání taveniny velmi vysoké povrchové teploty. Tyto teploty se pohybují, například při lití ocelové slitiny na rozměry blízké konečným rozměrům, přičemž licí válce jsou provedeny z materiálu CuCrZr se součinitelem elektrické vodivosti 48 Sm/mm² a součinitelem tepelné vodivosti asi 320 W/mK, při 350 °C až 450 °C. Materiály na bázi CuCrZr se doposud používaly především na tepelně vysoce namáhané kokily pro kontinuální lití a licí kola. Povrchová teplota klesne u těchto materiálů ochlazováním licích válců cyklicky při každé otáčce krátce před oblastí nalévání na asi 150 °C až 200 °C. Na chlazené zadní straně licích válců zůstává teplota naproti tomu v průběhu otáčení prakticky konstantní na asi 30 °C až 40 °C. Teplotní gradient mezi povrchem a zadní stranou v kombinaci s cyklickými změnami povrchové teploty licích válců způsobí vznik značných tepelných napětí v povrchové části materiálu válců.

Podle zkoušek prováděných na únavu u doposud používaného materiálu CuCrZr při různých teplotách s amplitudou prodloužení ± 0,3 % a frekvenci 0,5 Hz - tyto parametry odpovídají zhruba frekvenci otáčení licích válců 30 min* - lze například při maximální povrchové teplotě 400 °C -odpovídající tloušťce stěny 25 mm nad vodním chlazením - v příznivém případě očekávat životnost do objevení se trhliny 3 000 cyklů. Licí válce by proto musely již po relativně krátké době provozu asi 100 minut být dodatečně opracovány pro odstranění povrchových trhlin. Pro výměnu licích válců je zapotřebí licí stroj zastavit a postup lití přerušit.

Další nevýhodou osvědčeného materiálu CuCrZr na kokily je pro tento případ použití relativně malá tvrdost asi 110 až 130 HB. U jednoválcového nebo dvouválcového kontinuálního lití totiž nelze zabránit tomu, že rozstříknuté kapky oceli se dostanou na povrch válců již před oblastí nalévání. Ztuhlé ocelové částice se potom vtlačí do relativně měkkého povrchu licích válců, čímž je značně ovlivněna kvalita povrchu odlitých pásů o tloušťce asi 1,5 až 4 mm.

Rovněž malá elektrická vodivost známé slitiny CuNiBe s přísadou až 1 % niobu vede ve srovnání se slitinou CuCrZr k vyšší povrchové teplotě. Protože se elektrická vodivost naopak chová vůči tepelné vodivosti proporcionálně, zvýší se povrchová teplota licího válce ze slitiny CuNiBe ve srovnání s licím válcem ze slitiny CuCrZr s maximální teplotou 400 °C na povrchu a 30 °C na zadní straně na asi 540 °C.

Temámí slitiny CuNiBe, popřípadě CuCoBe mají sice v zásadě tvrdost podle Brinella větší než

200 HB, avšak elektrická vodivost standardních polotovarů vyrobených z těchto materiálů, jako například tyče pro výrobu odporových svařovacích elektrod, popřípadě plechy a pásy pro výrobu

- 1 CZ 282842 B6 pružin nebo nosných rámů, dosahuje hodnot ležících nanejvýše v rozsahu od 26 do asi 32 Sm/mm². Za optimálních podmínek by se s těmito standardními materiály dosahovalo povrchové teploty licích válců pouze asi 585 °C.

A konečně ani u slitin CuCoBeZr nebo CuNiBeZr, v podstatě známých z patentu US 4 179 314, neexistují důkazy, že při zamýšlené volbě komponent slitiny by bylo dosahováno elektrické vodivosti > 38 m/Qmm² ve spojení s minimální tvrdostí 200 HB.

Úkolem vynálezu je vytvořit materiál pro výrobu licích válců, plášťů licích válců a licích kol, který nebude ani při rychlostech lití nad 3,5 m/min citlivý na střídavé teplotní namáhání, a který bude popřípadě mít vysokou odolnost proti únavě při pracovní teplotě licích válců.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje vytvrditelná slitina mědi pro výrobu licích válců a licích kol, které jsou při lití na konečně rozměry podrobovány střídavému teplotnímu namáhání, s tvrdostí podle Brinella alespoň 200 HB a s elektrickou vodivostí vyšší než 38 Sm/mm², podle vynálezu, jehož podstatou je, že sestává z 1,2 až 2,6% hmotnosti niklu, 0,1 až 0,45 % hmotnosti berylia, volitelně až 0,25 % hmotnosti zirkonia, zbytek měď včetně nečistot podmíněných výrobou a obvyklých zpracovatelských přísad, přičemž hmotnostní poměr niklu k beryliu je alespoň 5:1.

Dalšího zlepšení mechanických vlastností, zejména zvýšení meze pevnosti v tahu, lze dosáhnout s výhodou tím, že obsahuje 0,05 až 0,25 % hmotnosti zirkonia.

Podle výhodného provedení vytvrditelná slitina mědi berylia, 0,15 až 0,2 % hmotnosti zirkonia, zbytek měď včetně nečistot podmíněných výrobou a obvyklých zpracovatelských přísad.

Podle dalšího výhodného provedení je poměr niklu k beryliu (Ni/Be) při obsahu niklu nad 1,2 % hmotnosti alespoň 5.

A konečně je dalšího výhodného provedení poměr niklu k beryliu v rozsahu od 5,5 do 7,5.

Dalšího zlepšení mechanických vlastností lze dosáhnout tehdy, když se do slitiny podle vynálezu přidá až do celkového maximálního obsahu 0,15 % hmotnosti alespoň jeden prvek ze skupiny niob, tantal, vanad, titan, chrom, cér a hafnium.

Při pokusech se slitinami normovanými podle ASTM a DIN bylo překvapivě zjištěno, že při obsahu 1,1 až 2,6 % hmotnosti nikluje možno dosáhnout vlastností potřebných pro licí válce při lití na rozměry blízké konečným rozměrům - tj. tvrdosti podle Brinella > 200 HB a elektrické vodivosti alespoň 38 Sm/mm² - a proto i vysoké odolnosti proti únavě tehdy, když je obsah niklu vůči obsahu berylia v určitém poměru a provede se přizpůsobené vhodné tepelné, popřípadě termomechanické zpracování.

Příklady provedení podle vynálezu

Vynález bude dále blíže objasněn na několika příkladech provedení. Na čtyřech slitinách (slitinách F až K) určených k použití podle vynálezu a na čtyřech porovnávacích slitinách (A až D) bude ukázáno, jak kritickým složení je, aby bylo dosaženo požadované kombinace vlastností. Složení příkladných slitin je udáno v tabulce 1 vždy v % hmotnosti. Odpovídající výsledky pokusů jsou shrnuty v tabulce 2.

Tabulka 1

Slitina	Ni	Be	Cu
A	1,43	0,54	zbytek
B	1,48	0,40	zbytek
C	1,83	0,42	zbytek
D	2,12	0,53	zbytek
F	1,48	0,29	zbytek
G	1,86	0,33	zbytek
H	1,95	0,30	zbytek
K	2,26	035	zbytek

5 Tabulka 2
Slitina	Ni/be	HB (2,5/187,5)	Souč. tepelné vodivosti Sm/mm²
A	2,6	193	30,9
B	3,7	224	36,1
C	4,4	235	37,0
D	4,0	229	33,9
F	5,1	249	39,4
G	5,6	247	38,5
H	6,5	249	39,8
K	6,5	249	39,8

V tabulce 2 jsou udány dosažené hodnoty tvrdosti a elektrické vodivosti pro slitiny s různým 10 obsahem niklu a bery lia - podle různých Ni/Be poměrů. Všechny slitiny byly roztaveny ve vakuové peci, tvářeny za tepla a po alespoň jednohodinovém žíhání na odstranění pnutí při 925 °C a následujícím prudkém ochlazení ve vodě vytvrzovány 4 až 32 hodin při teplotě v rozsahu 350 až 550 °C.

Jak je u slitin F, G, HaK určených pro použití podle vynálezu vidět, je dosaženo požadované kombinace vlastností tehdy, když hmotnostní poměr niklu ku beryliu činí alespoň 5:1.

Když se licí válce, popřípadě jejich pláště po popouštění na odstranění pnutí podrobí přídavnému tváření za studená o asi 25 %, lze dosáhnout dalšího zlepšení elektrické vodivosti.

Tímto způsobem se dosáhne například u slitiny s obsahem niklu 1,48 % hmotnosti a poměrem Ni/Be alespoň 5,1 32hodinovým vytvrzováním při 480 °C elektrické vodivosti 43 Sm/mm² a tvrdosti podle Brinella 225 HB. Se stoupajícím obsahem nikluje umožněna další optimalizace vlastností zvýšením poměru Ni/Be. Slitina mědi s obsahem niklu 2,26 % hmotnosti a poměrem 25 Ni/Be 6,5 má po 32hodinovém vytvrzování při 480 °C tvrdost podle Brinella 230 HB a elektrickou vodivost 40,5 Sm/mm². Jako horní hranici pro dosažení požadované kombinace vlastností je možno uvést pro obsah niklu 2,3 % hmotnosti poměr Ni/Be 7,5.

Složení a technologické vlastnosti sedmi dalších slitin určených k použití podle vynálezu jsou 30 uvedeny v tabulkách 3 a 4. Všechny slitiny byly žíhány na odstranění pnutí při 925 °C, potom tvářeny za studená o 25 % a následně podrobeny lóhodinovému vytvrzování při 480 °C.

- 3 CZ 282842 B6

Tabulka 3
Slitina	Ni	Be	Zr	Cu
	%	%	%

L	1,49	0,24	zbytek
M	2,26	0,35		zbytek
N	2,07	0,32	0,18	zbytek
O	1,51	0,28	0,19	zbytek
P	1,51	0,21	0,17	zbytek
R	1,40	0,21	0,21	zbytek
S	1,78	0,28	0,21	zbytek

Tabulka 4
Slitina	Ni/Be	Mez	Rm	Tažnost	Tvrdost	Souč. tepelné
		průtažnosti			HB	vodivosti
		N/mm²	N/mm²	%	2,5/187,5	Sm/mm²
L	6,2	681	726	19	244	40,2
M	6,5	711	756	18	255	40,1
N	6,5	682	792	18	220	38,6
O	5,4				234	39,0
P	7,2				211	40,9
R	6,3	626	680	15	217	41,1
S	6,3	662	712	13	223	40,8

Z těchto výsledků pokusů lze dále zjistit, že i u slitin CuNiBe s přísadou zirkonia při dodržení poměru Ni/Be 5 až 7,5 lze dosáhnout vysokých hodnot elektrické vodivosti ve spojení s vysokými hodnotami tvrdosti podle Brinella. Přísadou až 0,25 % hmotnosti zirkonia se elektrická vodivost oproti slitině CuNiBe bez zirkonia sníží překvapivě pouze nepatrně, přičemž minimální hodnota elektrické vodivosti 38 Sm/mm² je zaručena. Jinak přináší přísada zirkonia při zpracování výhody a zlepšuje tvárnost za tepla.

Pro doplňující zkoušky na odolnost proti únavě bylo zvoleno příkladné složení slitiny N, protože tato slitina má relativně nízkou elektrickou vodivost. Pomocí slitiny M lze dosáhnout maximální povrchové teploty licího válce asi 490 °C. Při doposud známém namáhání licího válce při odlévání oceli se zvýší potom u slitiny N určené k použití podle vynálezu životnost oproti slitině CuCrZr o dvoj až trojnásobek. Vzhledem k vysoké tvrdosti podle Brinella již dále neexistuje nebezpečí, že povrch licího válce bude poškozen vtlačením rozstříknuté taveniny.

Podobná kritická tepelná střídavá namáhání vznikají i u licích kol při kontinuálním lití drátové kulatiny na známých licích zařízeních s válci Souhtwire a Properzi. Rovněž u těchto způsobů je k dispozici, když se použije slitina CuNiBe (Zr) podle vynálezu, zvlášť vhodný materiál pro výrobu licích kol. Tyto způsoby lití se vzhledem k nedostatečným vlastnostem materiálů použitých na licí kola doposud pro odlévání oceli nemohly prosadit.

A konečně byly v posledních třech letech vyvinuty pro odlévání na rozměry blízké konečným rozměrům další způsoby, u nichž měděné kokily vzhledem k extrémně vysoké rychlosti lití 3,5 až asi 7 m/min dosahuji i extrémních povrchových teplot až do 500 °C. Aby tření mezi kokilou a pásem oceli bylo co možná nejmenší, je dále zapotřebí nastavit vysokou frekvenci oscilací kokily 400 zdvihů/min a více. Periodicky výkyvná hladina lázně přitom způsobuje rovněž značné namáhání na únavu kokily v oblasti menisku, čímž je nepříznivé ovlivněna životnost těchto

-4CZ 282842 B6 kokil. Při použití slitin CuNiBe (Zr) podle vynálezu s jejich vysokou odolností proti únavě, může být i u těchto použití dosaženo značného zvýšení životnosti.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Vytvrditelná slitina mědi pro výrobu licích válců a licích kol, které jsou při lití na konečné rozměry podrobovány střídavému teplotnímu namáhání, s tvrdostí podle Brinella alespoň 200 HB a s elektrickou vodivostí vyšší než 38 Sm/mm², vyznačující se tím, že sestává z 1,2 až 2,6 % hmotnosti niklu, 0,1 až 0,45 % hmotnosti berylia, volitelně až 0,25 % hmotnosti zirkonia, zbytek měď včetně nečistot podmíněných výrobou a obvyklých zpracovatelských přísad, přičemž hmotnostní poměr niklu k beryliu je alespoň 5:1.

2. Vytvrditelná slitina mědi podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje 0,05 až 0,25 % hmotnosti zirkonia.

3. Vytvrditelná slitina mědi podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje 1,4 až 2,2 % hmotnosti niklu, 0,2 až 0,35 % hmotnosti berylia, 0,15 až 0,2 % hmotnosti zirkonia, zbytek měď včetně nečistot podmíněných výrobou a obvyklých zpracovatelských přísad.

4. Vytvrditelná slitina mědi podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že hmotnostní poměr niklu k beryliu je v rozsahu od 5,5 do 7,5 : 1.