FI97108C - Karkaistavan kuparilejeeringin käyttö - Google Patents

Description

97108

Karkaistavan kuparilejeeringin käyttö

Keksintö koskee karkaistavan kuparilejeeringin käyttöä sellaisten valuvalssien ja valupyörien valmistuk-5 seen, jotka ovat vaihtelevan lämpötilakuormituksen alaisina mittatarkassa valussa.

Maailmanlaajuinen, erityisesti terästeollisuuden tavoite valaa valmistettava aihio mahdollisimman mittatarkasti, jotta säästyttäisiin lämmin- ja kylmätyöstövaiheil-10 ta, on johtanut noin vuodesta 1980 asti joukkoon kehitelmiä, esimerkiksi yksi- ja kaksivalssiharkkovalumenetel-miin.

Näissä valumenetelmissä vesijäähdytteisillä valsseilla tai rullilla esiintyy valettaessa terässeoksia, 15 nikkeliä, kuparia sekä lejeerinkejä, joita voidaan kuuma-valssata vain hyvin vaikeasti, sulatteen valualueella hyvin korkeita pintalämpötiloja. Nämä ovat esimerkiksi te-räslejeeringin mittatarkan valun yhteydessä, jolloin valu-valssit koostuvat CuCrZr-raaka-aineesta, jonka sähkönjoh-20 tavuus on 48 m/Ω mm2 ja lämmön johtavuus on noin 320 W/mK, alueella 350 - 450 °C. CuCrZr-pohjaisia raaka-aineita on tähän asti käytetty pääasiassa termisesti runsaasti kuormitettuihin harkkovalukokilleihin ja valupyöriin. Pinta-lämpötila laskee näissä raaka-aineissa valuvalssien jääh- ’· # 25 dytyksen vaikutuksesta syklisesti joka kierroksella vähän • · · ί·: · ennen valualuetta arvoon noin 150 - 200 °C. Valuvalssien ί jäähdytetyillä takasivuilla se jää sitä vastoin pyörimisen • · :.**i aikana suunnilleen vakioksi noin arvoon 30 - 40 °C. Pinnan • · · * ja takasivun lämpötilagradientti yhdessä valuvalssien pin- 30 talämpötilan syklisen muutoksen kanssa saa aikaan huo- . mättäviä termisiä jännityksiä valssiraaka-aineen pinnan ··« alueella.

Väsymiskäyttäy tyrni sen tutkimusten mukaan tähän asti '··' käytetyllä CuCrZr-raaka-aineella erilaisissa lämpötiloissa 35 käytettäessä laajenemisamplitudia ± 0,3 % ja taajuutta 97108 2 0,5 Hz - nämä parametrit vastaavat suunnilleen valuvals-sien pyörimisnopeutta 30 kierrosta minuutissa - on odotettavissa esimerkiksi suurimmalla mahdollisella pintalämpötilalla 400 °C - joka vastaa seinämänpaksuutta 25 mm vesi-5 jäähdytyksen yläpuolella - edullisimmassa tapauksessa elinaika 3 000 sykliä, kunnes säröjä alkaa muodostua. Va-luvalssit täytyisi sen vuoksi käsitellä jo suhteellisen lyhyen noin 100 minuutin käyttöajan jälkeen pintasäröjen poistamisen takia. Valuvalssien vaihtamista varten valuko-10 ne täytyy pysäyttää ja keskeyttää valutapahtuma.

Toinen hyväksi todetun kokilliraaka-aineen CuCrZr:n haitta on tähän käyttötarkoitukseen suhteellisen vähäinen kovuus noin 110 - 130 HB (brinellkovuus). Yksi- ja kaksi-valssiharkkovalumenetelmässä ei ole nimittäin vältettävis-15 sä se, että jo ennen valualuetta valssin pinnalle joutuu teräsroiskeita. Jähmettyneet teräshiukkaset painuvat sitten suhteellisen pehmeään valuvalssien pintaan, minkä johdosta valettujen nauhojen pinnan laatu huononee huomattavasti noin 1,5 - 4 mm:n paksuudelta.

20 Myös erään tunnetun CuNiBe-lejeeringin vähäinen sähkönjohtavuus käytettäessä niobin lisäystä 1 % johtaa verrattuna erääseen CuCrZr-lejeerinkiin suurempaan pinta-lämpötilaan. Koska sähkönjohtavuus käyttäytyy kääntäen verrannollisesti lämmönjohtavuuteen, CuNiBe-lejeeringistä *·* ’ 25 olevan valuvalssin pintalämpötila kohoaa verrattuna CuCr- ♦ · · ί·ί · Zr:sta olevan valuvalssiin, jonka maksimilämpötila on pin- : nalla 400 °C ja takasivulla 30 °C, noin arvoon 540 °C.

♦ ♦ !.’·· Ternaarisilla CuNiBe- ja CuCoBe-lejeeringeillä bri- « ·« : nellkovuus on tosin periaatteessa yli 200 HB, mutta näis- 30 tä raaka-aineista valmistettujen standardipuolivalmistela- . jien, kuten esimerkiksi tangot vastushitsauselektrodien ··· valmistamiseen ja pellit ja nauhat jousien tai kehikoiden valmistamiseen, sähkönjohtavuus saavuttaa joka tapauksessa alueella 26 - noin 32 m/Ω mm2 olevia arvoja. Ihanteellisis- 3 97108 sa olosuhteissa näillä standardiraaka-aineilla olisi saavutettavissa valuvalssin pintalämpötila vain noin 585 °C.

Lopuksi myöskään US-patenttijulkaisusta 4 179 314 periaatteellisesti tunnetut CuCoBeZr- ja CuNiBeZr-lejee-5 ringit eivät anna viitteitä siitä, että valittaessa lejee-ringin komponentteja johtavuusarvot yli 38 m/Ω mm2 yhdessä vähimmäiskovuuden 200 HB kanssa ovat saavutettavissa.

Tämän keksinnön tehtävänä oli saada käytettäväksi sellainen raaka-aine valuvalssien, valuvalssimantteleiden 10 ja valupyörien valmistamiseksi, joka ei ole herkkä myöskään valunopeuksilla yli 3,5 m/min vaihteleville lämpöti-larasituksille eli jolla on suuri väsymiskesto valuvalssien toimintalämpötilassa.

Erityisen sopivaksi tähän käyttötarkoitukseen on 15 osoittautunut karkaistava kuparilejeerinki, joka sisältää 1,0 - 2,6 % nikkeliä, 0,1 - 0,45 % berylliumia ja loput kuparia mukaan lukien valmistuksesta johtuvat epäpuhtaudet ja tavalliset työstölisäaineet ja jonka brinellkovuus on vähintään 200 HB ja sähkönjohtavuus yli 38 m/Ω mm2.

20 Mekaanisten ominaisuuksien lisäparannus, erityises ti lujuuden lisääntyminen, voidaan saavuttaa edullisesti lisäämällä 0,05 - 0,25 % zirkoniumia.

Edullisia ovat kuparilejeeringit, joissa nikkelipi- toisuuden suhde berylliumpitoisuuteen nikkelipitoisuuden / . 25 ollessa yli 1,2 % on lejeerinkikoostumuksessa vähintään • · · • · · r 4 ·♦* · 5:1· • · · ί·Ι 1 Muita mekaanisten ominaisuuksien parannuksia voi- • · *.*·: daan saavuttaa, jos keksinnön mukaisesti käytettävään le- :.· · jeerinkiin lisätään yhteensä korkeintaan 0,15 % vähintään 30 yhtä alkuainetta ryhmästä niobi, tantaali, vanadiini, ti- : taani, kromi, cerium ja hafnium.

• · ·

Yllättävästi esimerkiksi ASTM- ja DIN-normien mukaisten lejeerinkien tutkimuksissa havaittiin, että nik-kelipitoisuuksilla 1,1 - 2,6 % nikkeliä on mahdollista '···' 35 saavuttaa mittatarkan valun valuvalsseille tarvittavat 97108 4 ominaisuudet - eli brinellkovuus yli 200 HB ja sähkönjohtavuus vähintään 38 m/Ω mm2 - ja sen vuoksi myös suuri väsymislujuus, jos nikkelipitoisuus on määrätyssä suhteessa berylliumpitoisuuteen ja jos suoritetaan sopiva terminen 5 tai termomekaaninen käsittely.

Keksintöä selvennetään vielä lähemmin seuraavassa muutamien suoritusesimerkkien avulla. Neljän keksinnön mukaisesti käytettävän lejeeringin (lejeerinki F - K) ja neljän vertailulejeeringin avulla osoitetaan, miten kriit-10 tinen koostumus on, jotta saavutettaisiin tavoitellut ominaisuudet. Esimerkkilejeerinkien koostumus on esitetty taulukossa 1 kulloinkin painoprosentteina. Vastaavat tutkimustulokset on koottu taulukkoon 2.

15 Taulukko 1

Lejeerinki Ni Be Cu A 1,43 0,54 Loput B 1,48 0,40 Loput 20 C 1,83 0,42 Loput D 2,12 0,53 Loput F 1,48 0,29 Loput G 1,86 0,33 Loput H 1,95 0,30 Loput V '25 : K 2,26 0,35 Loput • · · • · « · ·.* i Taulukko 2 • · I ♦ ·

Lejeerinki Ni/Be HB Johtavuus K: : (2,5/187,5) m/SLmm2 30 --—-__ . A 2,6 193 30,9 b 3,7 224 36,1 c 4,4 235 37,0 D 4,0 229 33,9 35 F 5,1 249 39,4 G 5,6 247 38,5 H 6,5 249 39,8 K 6,5 249 39,8 5 97108

Taulukossa 2 on esitetty erilaiset nikkeli- ja be-rylliumpitoisuudet omaaville lejeeringeille - erilaisia Ni/Be-suhteita vastaten - saadut kovuus- ja johtavuusar-vot. Kaikki lejeeringit sulatettiin tyhjöuunissa, lämpö-5 muovattiin uudelleen ja karkaistiin lämpötilassa 925 °C vähintään tunnin kestäneen liuotuskuumennuksen ja sitä seuranneen vedessä suoritetun nopean jäähdytyksen jälkeen 4-32 tuntia alueella 350 - 550 °C olevassa lämpötilassa.

Kuten keksinnön mukaisesti käytettävien lejeerin-10 kien F, G, H ja K yhteydessä on havaittavissa, haluttu ominaisuusyhdistelmä on saavutettavissa, jos nikkelin painosuhde berylliumiin on vähintään 5:1.

Jos valuvalsseille ja valuvalssimantteleille suoritetaan liuotuskuumennuksen jälkeen vielä kylmätyöstö noin 15 25-prosenttisesti, voidaan saavuttaa vielä sähkönjohtavuuden paraneminen.

Niinpä esimerkiksi lejeeringin 1,48 nikkeliä ja Ni/Be-suhde vähintään 5,1 yhteydessä saavutetaan 32-tunti-sen lämpötilassa 480 °C suoritetun karkaisukäsittelyn jäl-20 keen johtavuus 43 m/Ω mm2 ja brinellkovuus 225 HB. Nikke-lipitoisuuden kohotessa ominaisuuksien lisäoptimointi on mahdollista nostamalla Ni/Be-suhdetta. Kuparilejeeringil-lä, joka sisältää 2,26 % nikkeliä ja jossa Ni/Be-suhde on 6,5, on 32-tuntisen lämpötilassa 480 °C suoritetun karkai-25 sukäsittelyn jälkeen brinellkovuus 230 HB ja sähkönjohta- • · · · vuus 40,5 m/Ω mm2. Ylempänä rajana on mahdollinen esimer- ί kiksi nikkelipitoisuus 2,3 % ja Ni/Be-suhde 7,5, jotta • · V-: saavutettaisiin halutut ominaisuusyhdistelmät.

·»· V ' Kuuden muun keksinnön mukaisesti käytettävän lejee- 30 ringin koostumus ja tekniset ominaisuudet on esitetty tau- ; lukoissa 3 ja 4. Kaikki lejeeringit liuotuskuumennettiin • » · lämpötilassa 925 °C, sen jälkeen kylmä työstettiin 25-prosenttisesti ja sen jälkeen suoritettiin 16-tuntinen kar-‘ kaisukäsittely lämpötilassa 480 °C.

97108 6

Taulukko 3

Lejeerinki Ni Be Zr CU

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

Taulukko 4

Lejeerinki Ni/Be Venymis- R— Veny- Kovuus Johtavuus 15 - un

raja ma MB

N/irnn2 N/mm2 % 2,5/1,87,5 m/ilmm2 L 6,2 681 726 19 244 40,2 M 6,5 711 756 18 255 40,1 20 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 V ; 25 « * :.· : Näistä tutkimustuloksista voidaan todeta, että myös CuNi- !>,· · Be-lejeeringeillä, joihin on lisätty zirkoniumia säilyttä- »**.: mällä Ni/Be-suhde arvossa 5-7, voidaan saavuttaa korkei- * 9 ·*·’; ta johtavuusarvoja yhdessä suurten brinellkovuusarvojen 30 kanssa. Lisättäessä korkeintaan 0,25 % zirkoniumia johta- . .·. vuus laskee vain vähän verrattuna zirkoniumia sisältämät- : · · tömiin CuNiBe-lejeerinkeihin, jolloin saavutetaan minimi- • 4 4 arvo 38 m/Ω mm2. Toisaalta zirkoniumin lisäys tarjoaa etuja työstettäessä ja parantaa lämpöplastisuutta.

I I

* 1 i t iit-i Mi; ( f -i S# I 1 i 7 97108 Väsymiskäyttäytymisen täydentäviin tutkimuksiin valittiin esimerkkilejeerinki N, koska tällä on suhteellisen pieni sähkönjohtavuus. Lejeeringillä N valuvalssille voidaan saavuttaa korkein mahdollinen pintalämpötila noin 5 490 °C. Tähän asti tunnetulla valuvalssin kuormituksella terästä valettaessa elinikä lisääntyy keksinnön mukaisesti käytettävän lejeeringin N yhteydessä verrattuna CuCrZr-lejeerinkiin 2 - 3-kertaiseksi. Suuren brinellkovuuden perusteella ei ole olemassa enää sitä vaaraa, että valu-10 valssin pinta vaurioituu sularoiskeiden painamista.

Samanlaisia kriittisiä termisiä vaihtuvia rasituksia esiintyy valupyörissä myös vanunkiharkkojen jatkuvassa valussa tunnetuilla "Southwire"- ja *'Properzi"-valuvalssi-laitteistoilla. Myös näitä menetelmiä varten on nyttemmin 15 käytettävissä erityisen sopiva raaka-aine valupyörien valmistukseen, kun käytetään keksinnön mukaisesti käytettävää CuNiBe(Zr)lejeerinkiä. Näitä valumenetelmiä ei ole voitu tähän mennessä käyttää valupyöriin käytettyjen raaka-aineiden epätyydyttävän käyttäytymisen vuoksi.

20 Lopulta viimeisenä kolmena vuotena on kehitetty sellaisia muita menetelmiä teräksen mittatarkkaan valuun, joissa kuparikokillit saavuttavat äärimmäisen korkean 3,5-7 m/min olevan valunopeuden vuoksi myös äärimmäisiä pintalämpötiloja arvoon 500 °C asti. Jotta kitka kokillin :'.· 25 ja teräsharkon välillä pidettäisiin mahdollisimman piene- nä, kokillille on säädettävä korkeita oskillointitaajuksia j vähintään 400 heilahdusta minuutissa. Jaksoittain heiluva • · · · . .·. hauteen pinta johtaa tällöin myös selvään kokillin väsy- • · · 4·, : misrasitukseen meniskusalueella, mistä seurauksena on sei- • · · I..‘ 30 laisten kokillien epätyydyttävä elinikä. Käytettäessä kek- * · » sinnön mukaisia CuNiBe(Zr)lejeerinkejä suurine väsymislu-juuksineen voidaan saavuttaa myös tätä käyttöä varten oleellinen eliniän kasvu.

Claims (6)

1. 97108
2. 1. Sellaisen karkaistavan kuparilejeeringin käyttö, joka sisältää 1,0 - 2,6 % nikkeliä, 0,1 - 0,45 % berylliu- 5 mia, loput kuparia mukaan lukien valmistuksesta johtuvat epäpuhtaudet ja tavalliset käsittelylisäaineet ja jonka brinellkovuus on vähintään 200 HB ja sähkönjohtavuus yli 38 m/Ω mm2, raaka-aineena sellaisten valuvalssien ja valu-pyörien valmistukseen, jotka ovat mittatarkan valun yhtey-10 dessä vaihtuvan lämpötilarasituksen alaisina.
3. 2. Sellaisen patenttivaatimuksen 1 mukaisen karkaistavan kuparilejeeringin käyttö, joka sisältää lisäksi vielä 0,05 - 0,25 % zirkoniumia, patenttivaatimuksessa 1 mainittuun tarkoitukseen.
4. 3. Sellaisen patenttivaatimusten 1 ja 2 mukaisen karkaistavan kuparilejeeringin käyttö, joka sisältää 1,4 - 2,2 % nikkeliä, 0,2 - 0,35 % berylliumia, 0,15 - 0,2 % zirkoniumia, loput kuparia mukaan lukien valmistuksesta johtuvat: epäpuhtaudet ja tavalliset käsittelylisäaineet, 20 patenttivaatimuksessa 1 mainittuun tarkoitukseen.
5. 4. Jonkin sellaisen patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen karkaistavan kuparilejeeringin käyttö, jossa nikkelin suhde berylliumiin (Ni/Be) nikkelipitoisuuden ollessa yli 1,2 % on vähintään 5, patenttivaatimuksessa 1 mainit-: '·« 25 tuun tarkoitukseen. ϊ*Γ: 5. Sellaisen patenttivaatimuksen 4 mukaisen kar- • ;*; kaistavan kuparilejeeringin käyttö, jossa nikkelin suhde • · · « . .*. berylliumiin on alueella 5,5 - 7,5, patenttivaatimuksessa • · · · : 1 mainittuun tarkoitukseen. • ··
6. 6. Sellaisen vähintään yhden patenttivaatimuksen , · · 1-5 mukaisen karkaistavan kuparilejeeringin käyttö, jossa nikkelipitoisuus on korvattu kokonaan tai osittain koboltilla, patenttivaatimuksessa 1 mainittuun tarkoituk-'. ' seen. I* : - Hl*.» liiti |: I I M i : i 97108