EP0593878A1 - Rotationssymmetrisches Halbzeug mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften - Google Patents

Rotationssymmetrisches Halbzeug mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften Download PDF

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EP0593878A1 EP93113617A EP93113617A EP0593878A1 EP 0593878 A1 EP0593878 A1 EP 0593878A1 EP 93113617 A EP93113617 A EP 93113617A EP 93113617 A EP93113617 A EP 93113617A EP 0593878 A1 EP0593878 A1 EP 0593878A1
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    • Y10T428/12049—Nonmetal component
    • Y10T428/12056—Entirely inorganic

Definitions

  • the invention relates to a rotationally symmetrical semi-finished product, in particular made of copper or copper alloys, with properties that vary over the cross section.
  • the preforms required for the semi-finished product with a variable alloy composition and the resulting different properties are known.
  • the production can be carried out according to the so-called "spray compacting" method (cf. for example GB-PS 1.379.261 and GB-PS 1.472.939), in which a metal melt is broken down into droplets by a gas jet in a suitable nozzle and the droplets are opened a pad can be collected again into a solid body.
  • the initial preform is produced from an alloy without any modifying additives present, by spraying the molten metal onto a rotating hollow mandrel.
  • the later sections of the preform are given a modified alloy content by later introducing modifying additives into the molten metal and spraying them with the melt.
  • the invention has for its object to increase the range of possible rotationally symmetrical preforms and the possibility of different combinations of properties of the semi-finished product.
  • the preform consists of a core and at least one surrounding outer layer and that there are the modifying additives are particles which are insoluble in the metal matrix and are either introduced into the core or into the outer layer.
  • a variant according to the invention is characterized in that the preform consists of a core and at least one surrounding outer layer and that the modifying additives are particles which are insoluble in the metal matrix, different types of particles being introduced both into the core and into the outer layer.
  • metallic particles made of molybdenum, niobium, tungsten, lead or the like be provided as insoluble particles.
  • non-metallic oxide, carbide, boride, nitride or the like are provided as insoluble particles, in particular particles of aluminum oxide (Al2O3), silicon carbide (SiC) or boron nitride (BN).
  • Al2O3 aluminum oxide
  • SiC silicon carbide
  • BN boron nitride
  • the spray compacting method is preferably used, in which metal melt is atomized into droplets by a gas jet in a nozzle and the droplets are collected on a rotating substrate.
  • at least two nozzles working simultaneously and independently of one another are arranged such that their droplet jets overlap and are directed towards a substrate of circular cross section, insoluble particles either in the first or second droplet jet or wherein different types of insoluble particles are injected into the first and second droplet streams simultaneously.
  • At least one nozzle simultaneously injects insoluble particles and noticeably soluble particles in the metal matrix into the first or second droplet jet or into both droplet jets (for example, insoluble lead particles and soluble nickel particles into the droplet jet of a copper alloy).
  • insoluble particles and noticeably soluble particles in the metal matrix into the first or second droplet jet or into both droplet jets (for example, insoluble lead particles and soluble nickel particles into the droplet jet of a copper alloy).
  • the subsequent hot forming of the preform causes alloy formation with the soluble particles to occur, and a targeted change in properties is thus made possible.
  • FIG. 1 schematically shows a spray compacting device for producing a cylindrical preform 1 (round bolt).
  • a melt supply (not shown) is fed to two nozzles 2, 3. From these nozzles 2, 3 emerge two overlapping melt droplet jets 4, 5 which are directed towards a rotating substrate 6 of circular cross section.
  • the droplet jets 4, 5 are consolidated again on the substrate 6 or on the growing round bolt 1 (which can be pulled off in the direction of the arrow) and solidified to form a solid block 1. Additional nozzles through which particles can be injected into the droplet jets 4, 5 are indicated by numbers 7, 8.
  • FIG. 1 also indicates that different particles ( , 0) are injected into the droplet jets 4, 5.
  • the particle density indicated over the radius of the round bolt 1 shows that a composite bolt 1 is formed which consists of a core 9 and an outer layer 10 with different properties.
  • a particular advantage of the described method is that the transition from the core 9 to the outer layer 10 is smooth and there is no parting line in the preform 1, as is the case with older methods according to the prior art (for example roll cladding, powder metallurgical production). This avoids all the associated disadvantages, such as binding errors at the parting line, high quality assurance efforts, etc.
  • a round bolt 1 with a diameter of 300 mm was produced, the core 9 (diameter: 220 mm) of copper and the outer layer 10 (width: 40 mm) of copper and aluminum oxide.
  • a gas-metal ratio of 0.6 (inside) or 0.4 (outside) was chosen for the atomization.
  • the round bolt 1 was pressed into a rod with a diameter of 62 mm, the thickness of the outer layer 10 being 3 mm and the diameter of the core 9 being 56 mm.
  • Figure 2 shows a 500-fold enlargement of the deposition of aluminum oxide particles on the grain boundaries in a CuCrZr alloy, which forms the core of a preform.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbzeug, insbes. aus Kupfer oder Kupferlegierungen, das aus einer rotationssymmetrischen Vorform (1) durch Warm- und Kaltumformschritte hergestellt wird. Die Vorform (1) selbst wird durch Sprühkompaktieren hergestellt und besteht aus einem Kern (9) und mindestens einer darumliegenden Außenschicht (10), die mittels modifizierender Zusätze unter Ausbildung einer fließenden Grenze unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Bei den modifizierenden Zusätzen handelt es sich um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel, die entweder in den Kern (9) oder in die Außenschicht (10) eingebracht werden, oder es handelt sich um verschiedenartige, nichtlösliche Partikel, die sowohl in den Kern (9) als auch in die Außenschicht (10) eingebracht werden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein rotationssymmetrisches Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.
  • Aus dem Stand der Technik (etwa nach der DE-OS 4.105.420) sind für das Halbzeug nötige Vorformen mit einer veränderlichen Legierungszusammensetzung und daraus resultierenden, unterschiedlichen Eigenschaften bekannt. Die Herstellung kann nach dem sogenannten Verfahren des "Sprühkompaktierens" erfolgen (vgl. bspw. GB-PS 1.379.261 und GB-PS 1.472.939), bei dem eine Metallschmelze durch einen Gasstrahl in einer geeigneten Düse in Tröpfchen zerlegt und die Tröpfchen auf einer Unterlage wieder zu einem massiven Körper gesammelt werden.
    Nach der DE-OS 4.105.420 wird die anfängliche Vorform aus einer Legierung ohne vorhandene modifizierende Zusätze hergestellt, indem die Metallschmelze auf einen rotierenden Hohldorn versprüht wird. Die späteren Abschnitte der Vorform erhalten einen modifizierten Legierungsgehalt, indem später in die Metallschmelze modifizierende Zusätze eingebracht und mit der Schmelze versprüht werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bandbreite der möglichen rotationssymmetrischen Vorformen und die Möglichkeit der verschiedenen Eigenschaftskombinationen des Halbzeugs zu vergrößern.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorform aus einem Kern und mindestens einer darumliegenden Außenschicht besteht und daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, die entweder in den Kern oder in die Außenschicht eingebracht sind.
  • Eine erfindungsgemäße Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform aus einem Kern und mindestens einer darumliegenden Außenschicht besteht und daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, wobei verschiedenartige Partikel sowohl in den Kern als auch in die Außenschicht eingebracht sind.
  • Es ist zwar beim Sprühkompaktieren bekannt, Dispersoidteilchen in den Tröpfchenstrahl einzubringen (vgl. bspw. EPS 0.198.606), jedoch nicht in Verbindung mit einem Mehrschichtaufbau.
  • Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als nichtlösliche Partikel metallische Partikel aus Molybdän, Niob, Wolfram, Blei oder dergleichen vorzusehen sind.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als nichtlösliche Partikel nichtmetallische Oxid-, Karbid-, Borid-, Nitridteilchen oder dergleichen vorgesehen, insbesondere Partikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN). Die Partikel sind vorzugsweise an den Korngrenzen abgelagert.
  • Für die Vorstufe der Herstellung der rotationssymmetrischen Vorform für das Halbzeug wird vorzugsweise das Verfahren des Sprühkompaktierens eingesetzt, bei dem Metallschmelze durch einen Gasstrahl in einer Düse zu Tröpfchen zerstäubt und die Tröpfchen auf einem rotierenden Substrat gesammelt werden. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei gleichzeitig, unabhängig voneinander arbeitende Düsen derart angeordnet, daß sich deren Tröpfchenstrahlen überlappen und stirnseitig auf ein Substrat kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind, wobei nichtlösliche Partikel entweder in den ersten oder zweiten Tröpfchenstrahl oder wobei verschiedenartige, nichtlösliche Partikel gleichzeitig in den ersten und zweiten Tröpfchenstrahl injiziert werden.
  • Vorzugsweise werden durch mindestens eine Düse gleichzeitig nichtlösliche Partikel sowie in der Metallmatrix merklich lösliche Partikel in den ersten bzw. zweiten Tröpfchenstrahl bzw. in beide Tröpfchenstrahlen injiziert (beispielsweise nichtlösliche Bleipartikel und lösliche Nickelpartikel in den Tröpfchenstrahl einer Kupferlegierung). Durch die nachfolgende Warmumformung der Vorform tritt Legierungsbildung mit den löslichen Partikeln ein, und es wird somit eine gezielte Eigenschaftsveränderung ermöglicht.
  • Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich bspw. folgende Kombinationen herstellen:
    • 1. leitfähiger Kern (Kupfer), Außenschicht mit geringem Ausdehnungskoeffizienten (Kupfer-Niob),
    • 2. duktiler Kern (Kupfer), hochfeste Außenschicht (Kupfer-Aluminiumoxid/Kupfer-Siliziumkarbid),
    • 3. hochfester Kern (Kupfer-Aluminiumoxid/Kupfer-Siliziumkarbid), gutbearbeitbare Außenschicht (Kupfer-Bornitrid),
    • 4. hochfester Kern (Kupfer-Aluminiumoxid/Kupfer-Siliziumkarbid), Außenschicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Kupfer),
    • 5. bearbeitbarer Kern (Kupferlegierung-Bornitrid/Kupferlegierung-Blei/Kupferlegierung-Molybdänsulfid), verschleißfeste Außenschicht (Kupferlegierung-Aluminiumoxid/Kupferlegierung-Siliziumkarbid),
    • 6. leitfähiger Kern (Kupferlegierung), korrosionsbeständige, verschleißfeste Außenschicht (Kupferlegierung-Nickel, Aluminiumoxid/Kupferlegierung-Nickel, Siliziumkarbid),
    • 7. hochfester, leitfähiger Kern (Kupferlegierung-Aluminiumoxid/Kupferlegierung-Siliziumkarbid), Außenschicht mit guten Gleiteigenschaften (Kupferlegierung-Grafit/Kupferlegierung-Blei/Kupferlegierung-Molybdänsulfid).
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
    • Figur 1 die Herstellung einer zylindrischen Vorform und
    • Figur 2 die Anlagerung der modifizierenden Zusätze an den Korngrenzen.
  • In Figur 1 ist schematisch eine Sprühkompaktiervorrichtung zur Herstellung einer zylindrischen Vorform 1 (Rundbolzen) dargestellt. Ein Schmelzevorrat (nicht dargestellt) wird zwei Düsen 2, 3 zugeführt. Aus diesen Düsen 2, 3 treten zwei sich überlappende Schmelzetröpfchenstrahlen 4, 5 aus, die stirnseitig auf ein rotierendes Substrat 6 kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind. Auf dem Substrat 6 bzw. auf dem wachsenden Rundbolzen 1 (der in Pfeilrichtung abziehbar ist) werden die Tröpfchenstrahlen 4, 5 wieder konsolidiert und zu einem massiven Block 1 verfestigt. Zusätzliche Düsen, durch die Partikel in die Tröpfchenstrahlen 4, 5 injiziert werden können, sind durch Ziffer 7, 8 angedeutet. In Figur 1 ist ebenfalls angedeutet, daß gleichzeitig unterschiedliche Partikel (
    Figure imgb0001
    , 0) in die Tröpfchenstrahlen 4, 5 injiziert werden. Die über den Radius des Rundbolzens 1 angedeutete Partikeldichte zeigt, daß ein Verbundbolzen 1 entsteht, welcher aus einem Kern 9 und einer Außenschicht 10 mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht.
    Ein besonderer Vorteil des geschilderten Verfahrens besteht darin, daß der Übergang des Kerns 9 zur Außenschicht 10 fließend erfolgt und in der Vorform 1 keine Trennfuge vorhanden ist, wie etwa bei älteren Verfahren nach dem Stand der Technik (bspw. Walzplattieren, pulvermetallurgische Herstellung). Hierdurch werden alle damit verbundenen Nachteile wie Bindefehler an der Trennfuge, hoher Aufwand für Qualitätssicherung usw. vermieden.
    • Zahlenbeispiel:
  • Nach dem beschriebenen Sprühkompaktierverfahren wurde ein Rundbolzen 1 von 300 mm Durchmesser hergestellt, dessen Kern 9 (Durchmesser: 220 mm) aus Kupfer und dessen Außenschicht 10 (Breite: 40 mm) aus Kupfer und Aluminiumoxid bestand.
  • Bei der Verdüsung wurde ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,6 (innen) bzw. 0,4 (außen) gewählt.
    Der Rundbolzen 1 wurde zu einer Stange von 62 mm Durchmesser verpreßt, wobei die Dicke der Außenschicht 10 3 mm und der Durchmesser des Kerns 9 56 mm betrug.
  • Figur 2 zeigt in 500facher Vergrößerung die Anlagerung von Aluminiumoxid-Teilchen an den Korngrenzen bei einer CuCrZr-Legierung, welche den Kern einer Vorform bildet.

Claims (8)

  1. Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, in Form von Stangen, Rohren, Drähten oder Profilen, hergestellt aus einer rotationssymmetrischen Vorform (1) durch Warm- und Kaltumformschritte,
    wobei die Vorform (1) über den Querschnitt aus mindestens zwei Schichten (9, 10) aufgebaut ist, die mittels modifizierender Zusätze unter Ausbildung einer fließenden Grenze unterschiedliche Eigenschaften aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorform (1) aus einem Kern (9) und mindestens einer darumliegenden Außenschicht (10) besteht und
    daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt, die entweder in den Kern (9) oder in die Außenschicht (10) eingebracht sind.
  2. Halbzeug, insbesondere aus Kupfer oder Kupferlegierungen, in Form von Stangen, Rohren, Drähten oder Profilen, hergestellt aus einer rotationssymmetrischen Vorform (1) durch Warm- und Kaltumformschritte,
    wobei die Vorform (1) über den Querschnitt aus mindestens zwei Schichten (9, 10) aufgebaut ist, die mittels modifizierender Zusätze unter Ausbildung einer fließenden Grenze unterschiedliche Eigenschaften aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorform (1) aus einem Kern (9) und mindestens einer darumliegenden Außenschicht (10) besteht und
    daß es sich bei den modifizierenden Zusätzen um in der Metallmatrix nichtlösliche Partikel handelt,
    wobei verschiedenartige Partikel sowohl in den Kern (9) als auch in die Außenschicht (10) eingebracht sind.
  3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß als nichtlösliche Partikel metallische Partikel aus Molybdän, Niob, Wolfram, Blei oder dergleichen vorgesehen sind.
  4. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß als nichtlösliche Partikel nichtmetallische Oxid-, Nitrid-, Karbid-, Boridteilchen oder dergleichen vorgesehen sind.
  5. Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß Partikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN) vorgesehen sind.
  6. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Partikel an den Korngrenzen abgelagert sind.
  7. Verfahren zur Herstellung der rotationssymmetrischen Vorform (1) für das Halbzeug nach den Ansprüchen 1 - 6 durch Sprühkompaktieren, bei dem Metallschmelze durch einen Gasstrahl in einer Düse zu Tröpfchen zerstäubt und die Tröpfchen auf einem rotierenden Substrat (6) gesammelt werden, dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens zwei gleichzeitig, unabhängig voneinander arbeitende Düsen (2, 3) derart angeordnet werden, daß sich deren Tröpfchenstrahlen (4, 5) überlappen und stirnseitig auf ein Substrat (6) kreisförmigen Querschnitts gerichtet sind,
    wobei nichtlösliche Partikel entweder in den ersten oder zweiten Tröpfchenstrahl (4 oder 5) oder
    wobei verschiedenartige, nichtlösliche Partikel gleichzeitig in den ersten und zweiten Tröpfchenstrahl (4, 5) injiziert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß durch mindestens eine Düse (2 oder 3) gleichzeitig nichtlösliche Partikel sowie in der Metallmatrix merklich lösliche Partikel in den ersten bzw. zweiten Tröpfchenstrahl (4 bzw. 5) bzw. in beide Tröpfchenstrahlen (4, 5) injiziert werden.
EP93113617A 1992-10-20 1993-08-26 Rotationssymmetrisches Halbzeug mit über den Querschnitt variierenden Eigenschaften Expired - Lifetime EP0593878B1 (de)

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