NL8803147A - Legering op basis van koper voor het verkrijgen van aluminium-beta-messing, met daarin korrelgrootte verlagende toevoegsels. - Google Patents

Description

ft

- I

NO 35555 1

Legering op basis van koper voor het verkrijgen van aluminium^betames sing, met daarin korrelgrootte verlagende toevoegsels.

Beschrijving

De uitvinding heeft betrekking op een metaallegering op basis van koper die zink en aluminium in zodanige hoeveelheden bevat dat een messing wordt gevormd gekenmerkt, na geschikte homogenisering bij hoge 5 temperatuur en snelle afkoeling, door een kristalstructuur van het beta-type; in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een legering van het genoemde type die nog andere legeringsel enten ten bevat ter verlaging van de korrelgrootte van de legering zelf.

Het is bekend dat legeringen van het Cu-Zn-Al-type, met de juiste 10 samenstelling, na een geschikte hittebehandeling in oplossing en harding, een beta-achtige structuur hebben die wordt aangeduid als "aluminium-beta-messing". Dit soort messing is vooral van belang wegens een aantal fysische en mechanische eigenschappen zoals een hoog demp-vermogen, pseudo-elastische of super-elastische effecten en het vormge-15 heugen-effect zowel het onomkeerbare of "eenrichtings" effect als het omkeerbare of "tweerichtings" effect. Deze laatste eigenschap verleent dergelijke legeringen volledig recht op de kwalificatie "vormgeheugen-materiaal".

Zoals eveneens bekend hangen dergelijke eigenschappen, in het bij-20 zonder het vormgeheugeneffect samen roet een roartensitische overgangsfase van het thermo-elastische type ofwel met de vorming en groei binnen de "beta"-structuur van martensitische platen; deze fase-overgang is omkeerbaar en wordt bepaald door de temperatuur en de elastische span-ningstoestand van het materiaal. Bij afwezigheid van mechanische belas-25 ting wordt deze overgang gekenmerkt door twee paren van begin- en eind-overgangstemperaturen, respectievelijk aangeduid met Ms en Mf (van de martensitische beta-fase) en As en Af (in de omgekeerde overgang). Het belang van de genoemde, door libetaN-messing vertoonde effecten, en in het bijzonder het vormgeheugen-effect en het super-elastische effect, 30 is hoofdzakelijk verbonden met het feit dat de materialen in kwestie tegelijkertijd de functies van warmtesensor en mechanische schakelaar kunnen vervullen. Dat wil zeggen dat een element met vormgeheugeneffect de functies vervult die normaal door een complexe keten van inrichtingen worden vervuld (bijvoorbeeld warmtesensor, versterker, 35 relais/evenredige schakelaar, enz.).

Bij dergelijke toepassingen worden de materialen onderworpen aan 8803 1477 * 2 thermo-mechanische spanningen van een cyclisch type en kunnen zij derhalve vermoeiingsverschijnselen vertonen van een thermomechanisch type indien er geen passende maatregelen zijn genomen. Het is bekend dat een voorwaarde voor het verkrijgen van een goed materiaalgebruik van meta-5 len ten opzichte van vermoeiing in het algemeen en thermomechanische vermoeiing in het bijzonder, het tot stand brengen van een zeer fijne en homogene korrel structuur is.

Beta-messing dat geen korrel grootte verlagende toegevoegde elementen bevat, heeft duidelijk een grove korrel structuur en is daardoor op 10 lange termijn weinig betrouwbaar bij thermomechanische vermoeiingsom-standigheden. Doel van de uitvinding is het verschaffen van een Cu^Zn-AUlegering met een zodanige samenstelling dat beta-messing kan worden verkregen met vormgeheugen-eigenschappen welke legering een fijn-kristallijne korrelstructuur heeft en een goede weerstand tegen 15 thermomechanische vermoeiing en een goede bewerkbaarheid heeft.

Het doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een metaallege-ring op koperbasis in het bijzonder voor het verkrijgen van aluminium-beta-messing, welke wordt gekenmerkt doordat deze 5 tot 35 gew.% zink, 1-10 gew.% aluminium en in totaal ten minste 0,01 gew.% niobium plus 20 titaan bevat, terwijl de rest koper is, eventueel met inbegrip van verontreinigingen en andere legeringselementen, waarbij de gewichtsverhouding tussen de hoeveelheid niobium en de hoeveelheid titaan in de legering vrijwel gelijk aan 1 is.

Het is gebleken dat de gelijktijdige toevoeging aan een aluminium-25 messing van niobium (Nb) en titaan (Ti) in beheerste lage concentraties en in een evenwichtige verhouding leidt tot een onverwacht synergis-tisch effect van deze twee elementen bij de vorming van tertiaire in-termetallische verbindingen in de metaalmatrix van de legering door wisselwerking met aluminium van het Nb-Ti-Al-type welke verbindingen 30 verantwoordelijk zijn voor de drastische verlaging van de korrel grootte en daarmee de verhoogde weerstand tegen thermomechanische vermoeiing. Bovendien heeft het materiaal een verbeterde koude verwerkbaarheid. In-termetallische verbindingen van het genoemde type in een fijn-verdeel de vorm in de metaalmatrix werken namelijk tijdens het stollen van het ma-35 teriaal als kristal!isatiekernen en kunnen verder de korrel groei gedurende de daaropvolgende hoge*temperatuurbehandelingen blokkeren door het hinderen van de verplaatsing van hun begrenzing. Dit leidt tot een duidelijke vermindering van de gevoeligheid die kenmerkend is voor aluminium-beta-messing zonder toegevoegde elementen en ook tot een ver-40 betering van de verwerkbaarheid bij omgevingstemperatuur, bovendien 8803 H77 i 3 veroorzaakt de verlaging van de korrelgrootte door de aanwezigheid van de intermetaalverbindingen tot een verhoogde weerstand voor thermome-chanlsche vermoeiing van de legering zelf; legeringen volgens de uitvinding hebben verder een hoge stabiliteit bij normale temperaturen 5 waaraan zij tijdens gebruik kunnen worden blootgesteld doordat de in-termetaalverbindingen die na de gelijktijdige toevoeging van niobium en titaan worden gevormd tot hoge temperatuur stabiel zijn (900°C).

Uit experimenten is verder gebleken dat voor het ontwikkelen van de nieuwe en gunstige eigenschappen van de legeringen volgens de uit-10 vinding, niobium en titaan tezamen in een hoeveelheid van 0,01 gew.% of meer moeten worden toevoegd. Ook bleek verrassenderwijs dat het voor het verkrijgen van de verbeterde resultaten nodig 1s de gewichtsverhouding tussen niobium en titaan in de legering zodanig te regelen dat de hoeveelheid van beide elementen vrijwel gelijk Is. De uitvinding heeft 15 derhalve betrekking op legeringen waarin koper het overheersende element is en die verder 5 tot 35 gew.% zink, 1 tot 10 gew.% aluminium en 1n totaal ten minste 0,01 en bij voorkeur ten hoogste 0,2 gew. niobium + titaan bevatten, waarbij de gewichtsverhouding tussen de hoeveelheid niobium en titaan in de legering ongeveer gelijk aan 1 is en 20 dat voor de rest naast koper nog eventuele verontreinigingen en eventuele andere legeringselementen aanwezig kunnen zijn. In een voorkeurs-u1tvoeringsvorm van de uitvinding bevat de legering 0,05-0,1 gew.% titaan en 0,05-0,1 gew.% niobium, terwijl de hoeveelheden aluminium en zink worden gekozen afhankelijk van de soort toepassing, waarbij de 25 waarde van de As- en Ms-temperaturen afhankelijk is van de gewichtsverhouding tussen deze twee elementen; het gehalte aan zink en aluminium moet echter steeds binnen de genoemde grenzen blijven en het gehalte aan niobium en titaan afzonderlijk niet minder dan 0,005 gew.% zijn omdat anders een onvoldoende verlaging van de korrel grootte wordt verkre-30 gen; deze beperkingen hangen samen met het feit dat een voldoende fractie aan tertiair neerslag met een korrelgrootte verlagende werking moet zijn.

Het verkrijgen en bewerken van legeringen volgens de uitvinding geschiedt op gangbare wijze door toevoeging van de legeringselementen 35 aan het gesmolten koper, in het bijzonder door de gelijktijdige toevoeging van niobium en titaan aan een legering op basis van Cu-Zn-Al, gevolgd door gieten van de aldus verkregen legering, verwerken door extrusie bij temperaturen in de orde van ongeveer 800eC en vervolgens verwerking door trekken of koudwalsen, waarbij tussen twee opeenvolgen-40 de wals- of trekstadla opwarming tot een geschikte temperatuur plaats- 8803 H7 ' * 4 « vindt; vervolgens wordt de legering aan een warmtebehandeling in oplossing onderworpen bij een temperatuur van ongeveer 700-800°C gevolgd door snel afkoelen.

De legering volgens de uitvinding wordt geïllustreerd aan de 5 hand van de bijgevoegde figuren 1 en 2 die ieder, bij verschillende vergroting, een microfoto weergeven van monsters van een legering volgens de uitvinding waarin grove tertiaire intermetaal deeltjes op de achtergrond van een vaste-stof-oplossing zichtbaar zijn, terwijl figuren 3 en 4 resp. spectra weergeven van de deeltjes en de vaste-stof op-10 lossing overeenkomend met figuren 1 en 2.

VOORBEELD 1

In een inductieoven met een inhoud van ongeveer 50 kg werden proefsmelten uitgevoerd waarna de smelten werden gegoten in gietstukken van 110 mm doorsnede welke in water werden afgekoeld. Er werd per keer 15 34,5 kg 99,9 ETP-koper, 13,5 kg Zn, 1,5 kg Al en 0,5 kg van een voorle-gering van koper met daarin 10¾ Nb en 10¾ Ti gebruikt. De aldus verkregen legering in gesmolten toestand werd gegoten en na stollen werden de gietelingen bij ongeveer 800eC aan hete extrusie onderworpen waarna een halfprodukt van 25 mm werd verkregen; dit halfprodukt werd aan koude 20 bewerkingsproeven onderworpen zowel met trekken als met walsen, waarbij elke trek- of walsbewerking bij omgevingstemperatuur werd uitgevoerd, met tussentijdse opwarming tot een temperatuur van 550°C gedurende 0,5 uur. Voor het trekken van de monsters werd de verkregen draad in de vorm van schroefveren gewikkeld met de volgende afmetingen: draaddiame-25 ter 3 mm, schroefdiameter 21 mm, aantal wikkelingen 10. De aldus verkregen veren werden tot 800eC verhit, 0,5 uur op deze temperatuur gehouden en vervolgens snel afgekoeld door dompelen in water van 20°C. Aldus werden veren verkregen die aan thermomechanische conditionerings-cycli ter verkrijging van het vormgeheugeneffect bleken te kunnen wor-30 den onderworpen en rechtstreeks bleken te kunnen worden toegepast onder gebruikmaking van het superelastische effect. Bovendien bleek zowel gedurende het trekken van de draad als tijdens het walsen een gemakkelijke verwerkbaarheid. Bij microscopisch onderzoek van de monsters na afkoelen vanaf 900°C bleken deze verminderde kristal afmetingen te hebben, 35 gemiddeld ongeveer 0,1-0,15 mm.

VOORBEELD 2

De monsters volgens voorbeeld 1, die waren onderworpen aan warmtebehandeling in oplossing en snel waren afgekoeld zoals aangegeven in voorbeeld 1 werden onderzocht door middel van transmissie-electronen-40 microscopie (TEM) en EDS-microanalyse. De resultaten zijn weergegeven 88031477 5 in de microfoto's van figuren 1 en 2 en in de diagrammen van figuren 3 en 4. Figuur 1 is een micrografie met een vergroting van 75.000 X, waarin (grove) deeltjes van tertiaire intermetaalverbindingen van Al-Nb-Ti te zien zijn met de samenstelling als weergegeven in fi-5 guur 3; figuur 2 is een micrografie met een vergroting van 270.000 X van een soortgelijk monster als dat van figuur 1 en laat een tertiair intermetallisch deeltje met kleinere afmetingen en dezelfde samenstelling als die weergegeven in figuur 3 zien. Figuur 3 is een spectrum verkregen bij EDS-microanalyse van de deeltjes volgens figuren 1 en 2, 10 terwijl figuur 4 het EDS-spectrum is van de vaste-stofoplossing in afwezigheid van deeltjes, onder dezelfde werkomstandigheden verkregen en weergegeven ter vergelijking. De tertiaire opbouw (Al-Nb-Ti) van de grove deeltjes blijkt duidelijk uit de gelijktijdige aanwezigheid (figuur 3) van de Nb- en Ti-lijnen (die niet waarneembaar zijn in de 15 vaste-stof oplossing - figuur 4 - waarbij deze deeltjes afwezig zijn wegens de lage gemiddelde concentratie van de elementen Nb en Ti) en uit de sterke toename van de relatieve intensiteit van de Al-lijn ten opzichte van de waarde voor de vaste-stofoplossing (figuur 4) in afwezigheid van deeltjes. In het spectrum van figuur 4 zijn daarentegen al-20 leen de lijnen van de hoofdbestanddelen van de legering te zien en de geringere relatieve intensiteit van de Al-lijn ten opzichte van die van figuur 3 is duidelijk.

$803 1477

Claims (4)

1. Metaallegering op basis van koper, in het bijzonder voor het verkrijgen van aluminium-beta-messing, met het kenmerk, dat deze 5 5-35 gew.% zink, 1-10 gew.% aluminium en in totaal ten minste 0,01 gew.% niobium plus titaan bevat, waarbij de rest koper is, met inbegrip van eventuele verontreinigingen en andere legeringselementen, en waarbij de gewichtsverhouding tussen de hoeveelheid niobium en de hoeveelheid titaan in de legering vrijwel gelijk is aan 1.

2. Metaal legering volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de to tale hoeveelheid mobium en titaan ten hoogste 0,2 gew.% is.

3. Metaallegering volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat deze 0,05-0,1 gew.% niobium en 0,05-0,1 gew.% titaan bevat.

4. Werkwijze voor het bereiden van een aluminium-beta-messing, 15 waarbij men een legering bereidt met een samenstelling die overeenkomt met de legering volgens conclusie 1-3 door smelten, gelijktijdig toevoegen van niobium en titaan aan een legering op basis van koper, zink en aluminium en vervolgens gieten, onderwerpen van de aldus bereide en gestolde legering aan hete extrusie bij een temperatuur van ongeveer 20 800°C en vervolgens afwisselend koud trekken en opwarmen tot een temperatuur boven 500°C en daarna onderwerpen van de legering aan een warmtebehandeling in oplossing door verhitting tot 700-800°C gevolgd door snelle afkoeling. ***** 8803 147 Γ