EP0042455B1 - Al- und Co-haltige Kupferlegierungen hoher Verschleissfestigkeit und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Al- und Co-haltige Kupferlegierungen hoher Verschleissfestigkeit und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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EP0042455B1
EP0042455B1 EP19800104147 EP80104147A EP0042455B1 EP 0042455 B1 EP0042455 B1 EP 0042455B1 EP 19800104147 EP19800104147 EP 19800104147 EP 80104147 A EP80104147 A EP 80104147A EP 0042455 B1 EP0042455 B1 EP 0042455B1
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alloy
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Gerad Barbezat
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Sulzer AG
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Gebrueder Sulzer AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a CuAICo alloy with high wear resistance and with a fine structure, which contains components - in addition to the usual impurities - at least Al, Fe, Co, Cr, Mn, Cu.
  • the wear i.e. the wear on relative movements compared to other materials, such as steel
  • the object of the invention is therefore to improve the mechanical properties and in particular the wear behavior of the known alloys.
  • alloys the composition (in% by weight) of Al 14-16; Fe 4-6; Co 2.5-3.5; Mn 1-1.5; Cr 0.4-0.8; Be 0 to 0.2; Zr 0.01-0.5; The remainder is Cu, the sum of Fe and Co being greater than 7.5, and their structure in the as-cast state having grain sizes of between 20 and 50 ⁇ m.
  • the castability, ie above all the flowability, of the alloy melt can be improved if it contains up to 0.2% Be; This addition primarily reduces the formation of A1 2 0 3 and the risk of oxide inclusions in the melt.
  • a method for producing the alloy according to the invention is characterized in that at least part of the Zr and / or Be content is achieved by melting treatments at temperatures between 1150 and 1250 ° C. within the last 30 minutes before casting by adding amounts of these substances that guarantee the final levels 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.
  • 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 AI content -, for example, for sand cast workpieces in the as-cast state, the following values result:
  • a melt of 100 kg of a CuAICo alloy according to the invention is to be produced, in which the cast workpiece should have a Brinell hardness of 380 HB in the as-cast state.
  • the return material, Mn, Cu, Co and the master alloy CuCr are first melted in an Mf induction furnace equipped with a graphite crucible, with 0.5% cryolite being added to the melt as slag formers ; The FeAI master alloy is then inserted and the pure aluminum is then brought into the melt.
  • the melt is treated with zirconium (Zr) at 1200 ° C.
  • Zr zirconium
  • an amount of 0.1% zircon is used in the form of a master alloy CuZr 50 (50% Cu, 50% Zr), which is added to the melt.
  • the alloy is poured into sand molds at 1180 ° C.
  • 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.
  • 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 test, 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.
  • the known alloy results - averaged from several measurements - between 550 and 800 mg / 20 h - the scattering range is shown hatched - while the new alloy has values between 250 and 550 mg per 20 Hours have been measured.
  • FIG. 2a and 2b show metallographic micrographs in 100x magnification, from which the differences in the grain sizes are immediately apparent;
  • grain sizes of about 300 ⁇ m result for the known alloy, as already mentioned, while grain sizes of 40 ⁇ m can be determined from FIG. 2b for the alloy according to the invention.
  • the use of the new alloy is not limited to workpieces made of sand castings, so electrodes can also be produced therefrom for continuous welding or for extrusion, for example on unalloyed steel.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine CuAICo-Legierung hoher Verschleissfestigkeit und mit feinem Gefüge, die als Komponenten - neben den üblichen Verunreinigungen - mindestens Al, Fe, Co, Cr, Mn, Cu enthält.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Legierungen gelöst, deren Zusammensetzung (in Gew.-%) AI 14-16; Fe 4-6; Co 2,5-3,5; Mn 1-1,5; Cr 0,4-0,8; Be 0 bis 0,2; Zr 0,01-0,5; Rest Cu beträgt, wobei die Summe von Fe und Co grösser als 7,5 ist, und deren Gefüge im Gusszustand Korngrössen zwischen 20 bis 50 µm aufweist.
  • 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 (lm betragen, und damit für die verbesserten Verschleisseigenschaften.
  • Die Giessbarkeit, d.h. vor allem die Fliessfähigkeit, der 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.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Zr- und/oder Be-Gehaltes über Schmelzbehandlungen bei Temperaturen zwischen 1150 und 1250 °C innerhalb der letzten 30 Minuten vor dem Abguss durch Zugaben 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.
  • 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 AI-Gehalt -, ergeben beispielsweise für sandgegossene Werkstücke im Gusszustand folgende Werte:
  • Figure imgb0001
  • Diese Werte lassen sich weiter verbessern, wenn man das gegossene Werkstück bei Temperaturen bis zu 1000 °C einer Normalisierungsbehandlung unterzieht, bei der Haltezeit 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 Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es soll eine Schmelze von 100 kg einer erfindungsgemässen CuAICo-Legierung hergestellt werden, bei der das gegossene Werkstück eine Brinellhärte von 380 HB im Gusszustand besitzen soll.
  • Als Einsatz werden '/3 (33 kg) Rücklauf aus dem geforderten Material und z/3 neues Material verwendet, wobei das Einsatzmaterial möglichst rein sein soll. Neben den 33 kg Rücklaufmaterial werden dafür bereitgestellt:
    Figure imgb0002
    weiterhin muss zusätzlich zur Kompensation des AI-Abbrandes nochmals 500 g AI zur Verfügung stehen.
  • Unter leicht oxidierenden, atmosphärischen Bedingungen werden in einem Mf-Induktionsofen, der mit einem Graphit-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 gebracht.
  • 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, 50% Zr), die der Schmelze zugegeben wird. Abschliessend wird die Legierung bei 1180°C in Sandformen abgegossen.
  • Die chemische Analyse ergibt - neben den üblichen Verunreinigungen, die so tief wie wirtschaftlich sinnvoll gehalten 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:
  • Figure imgb0003
  • 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.
  • Für die mechanischen Eigenschaften sind danach folgende Werte gemessen worden:
    Figure imgb0004
  • 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 Legierung ohne Schmiermittel eine festgelegte Zeitdauer, die im vorliegenden Fall 20 Stunden beträgt. Der dabei entstehende Abrieb wird gesammelt und gewogen.
  • Wie Fig. 1 zeigt, ergeben sich für die bekannte Legierung dabei - aus mehreren Messungen gemittelt - Werte zwischen 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.
  • Fig. 2a und 2b stellen in 100facher Vergrösserung metallographische 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 µm, während aus Fig. 2b für die erfindungsgemässe Legierung Korngrössen von 40 (lm bestimmt werden können.
  • 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, beispielsweise 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 zwischen 900 und 950 °C, zu schmieden.

Claims (3)

1. CuAICo-Legierung hoher Verschleissfestigkeit und mit feinem Gefüge, die als Komponenten - neben den üblichen Verunreinigungen - mindestens Al, Fe, Co, Cr, Mn, Cu enthält, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gew.- %:
AI 14-16; Fe 4-6; Co 2,5-3,5; Mn 1 bis 1,5; Be 0 bis 0,2; Cr 0,4 - 0,8; Zr 0,01 - 0,5; Rest Cu,

wobei die Summe von Fe und Co grösser 7,5 ist, ferner gekennzeichnet durch ein Gefüge mit Korngrössen im Gusszustand zwischen 20 bis 50 µm.
2. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Zr- und/oder Be-Gehaltes über Schmelzbehandlungen bei Temperaturen zwischen 1150 und 1250 °C innerhalb der letzten 30 Minuten vor dem Abguss durch Zugaben von Mengen dieser Stoffe erreicht wird, die die genannten Endgehalte gewährleisten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, für als Sandguss gegossene Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, dass das gegossene Werkstück bei Temperaturen bis zu 1000°C einer Normalisierungsbehandlung unterzogen wird, bei der die Haltezeit mindestens 1 Stunde und zusätzlich pro 25 mm Wanddicke eine weitere Stunde beträgt und die Abkühlung an 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.
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