PL170470B1

PL170470B1 - Stop miedzi utwardzany dyspersyjnie i sposób wytwarzania odlewów ze stopu miedzi utwardzanego dyspersyjnie PL PL

Info

Publication number: PL170470B1
Application number: PL92297032A
Authority: PL
Inventors: Horst Gravemann; Thomas Helmenkamp
Original assignee: Kabelmetal Ag
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1996-12-31
Also published as: CN1075755A; CZ369692A3; FI925597A0; CA2086063C; KR100260058B1; RU2102515C1; ATE158822T1; DE4142941A1; TR27606A; CA2086063A1; DE59208945D1; CN1031762C; EP0548636A1; ZA929480B; SK369692A3; FI97108B; FI97108C; JP3504284B2; SK280704B6; KR930013179A

Abstract

1. Stop miedzi utwardzany dyspersyjnie do wytwarzania specjalnych odlew ów takich jak walców ciagnacych, plaszczy walców ciagnacych i rolek prowadniczych stosowanych w urzadzeniach do odlewania ciaglego metalowych wyrobów na wymiar zblizony do wymiaru na gotowo i podlegajacych zmiennym obciazeniom cieplnym , znam ienny tym , ze zawiera w agow o od 1,0 do 2,6% niklu, od 0,1 do 0,45% berylu i jako reszte miedz oraz zwykle zanieczyszczenia wynikajace z procesu technologicznego i ze stosowania do obróbki zw y- klych dodatków. 7. Sposób wytwarzania specjalnych odlewów, takich jak walców ciagnacych, plaszczy- zny walców ciagnacych i rolek prowadniczych, stosowanych w urzadzeniach do odlewania ciaglego, z utwardzanego dyspersyjnie stopu miedzi, znam ienny tym , ze odlewy ze stopu miedzi najpierw sie wyzarza zupelnie w temperaturze 925°C, nastepnie hartuje sie je, po czym w danym poddaje sie je przeróbce plastycznej na zim no przy zgniocie okolo 25% i wreszcie poddaje sie je obróbce utwardzania dyspersyjnego w temperaturze od 350 do 550°C, przez czas od 4 do 32 godzin. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest stop miedzi utwardzany dyspersyjnie do wytwarzania specjalnych odlewów, takich jak walców ciągnących, płaszczy walców ciągnących i rolek prowadniczych stosowanych w urządzeniach do odlewania ciągłego metalowych wyrobów na wymiar zbliżony do wymiaru na gotowo. Dążenie do wyeliminowania operacji przeróbki plastycznej na gorąco bądź na zimno, doprowadziło do około 1980 roku w przemyśle metalurgicznym do powstania szeregu rozwiązań, przykładowo jedno- lub dwuwalcowego sposobu odlewania ciągłego przedmiotów na wymiar zbliżony do wymiaru na gotowo. W tych sposobach odlewniczych podczas odlewania ciągłego stali stopowych niklu, miedzi oraz ich stopów, których walcowanie na gorąco jest bardzo utrudnione, na powierzchniach chłodzonych wodą walców lub rolek w obszarze zalewania ciekłym metalem występują bardzo wysokie temperatury. W przypadku odlewania ciągłego stali stopowej na wymiar zbliżony do końcowego temperatury te leżą w zakresie od 350 do 450°C, przy czym walce ciągnące są wykonane z materiału typu CuCrZr o przewodności elektrycznej równej 48 m/Ω mm ² i przewodności cieplnej równej około 320 W/mK. Materiały na bazie CuCrZr stosowane były dotychczas przede wszystkim na poddawane silnym obciążeniom termicznym krystalizatory do odlewania ciągłego i rolki prowadnicze. W wyniku chłodzenia walców ciągnących temperatura powierzchni w tych materiałach obniżała się cyklicznie przy każdym obrocie na krótko przed obszarem zalewania do około 150 do 200°C. Na tylnej, chłodzonej stronie walców ciągnących temperatura ta utrzymywała się

170 470 natomiast podczas obiegu w przybliżeniu na stałym poziomie między 30 i 40°C. Gradient temperatur między powierzchnią i stroną odwrotną w połączeniu z cykliczną zmianą temperatury powierzchni walców ciągnących prowadzi do powstania znacznych naprężeń termicznych w powierzchniowym obszarze materiału walców.

Według badań zmęczeniowych stosowanego dotychczas materiału na bazie CuCrZr, przeprowadzonych w rożnych temperaturach przy amplitudzie wydłużenia równej + 0,3% i częstotliwości równej 0,5 Hz - parametry te odpowiadają prędkości obrotowej walców ciągnących, wynoszącej 30 obr/min - przy maksymalnej temperaturze powierzchni, wynoszącej przykładowo 400 °C, - odpowiadającej grubości ścianki równej 25 mm powyżej chłodzenia wodą - w najbardziej korzystnym przypadku oczekiwany czas żywotności aż do powstania pęknięć może wynosić 3000 cykli. Dlatego też walce ciągnące musiałyby być już po stosunkowo krótkim czasie eksploatacji, wynoszącym około 100 minut, obrabiane w celu usunięcia pęknięć powierzchniowych. W celu przeprowadzenia wymiany walców ciągnących należy zatrzymać urządzenie odlewnicze i przerwać proces odlewania.

Następną wadę stosowanego powszechnie na kry stal izatory materiału na bazie CuCrZr stanowi stosunkowo niewielka w tym przypadku twardość od 110 do 130 HB. W jedno- lub dwuwalcowej metodzie odlewania ciągłego nie da się mianowicie wyeliminować rozpryskiwania się stali na powierzchni walców przed obszarem zalewania. Zakrzepnięte cząstki metalu są następnie wciskane w stosunkowo miękką powierzchnię walców ciągnących, co znacznie pogarsza jakość powierzchni odlewanych taśm o grubości od 1,5 do 4 mm.

Również niższa przewodność elektryczna znanego stopu na bazie CuNiBe z dodatkiem do 1 % niobu prowadzi w porównaniu ze stopem na bazie CuCrZr do wzrostu temperatury powierzchni. Ponieważ przewodność elektryczna pozostaje w odwrotnie proporcjonalnym stosunku do przewodności cieplnej, temperatura powierzchni walca ciągnącego ze stopu na bazie CuNiBe zwiększy się w porównaniu z walcem ciągnącym z materiału na bazie CuCrZr o maksymalnej temperaturze 400°C na powierzchni i 30°C na odwrotnej stronie, do około 540°C.

Trójskładnikowe stopy typu CuNiBe lub CuCoBe mają wprawdzie z reguły twardość Brinella ponad 200 HB, jednak przewodność elektryczna wytworzonych z tych materiałów standardowych półfabrykatów, jak np. prętów do wyrobu elektrod do zgrzewania lub blach i taśm do wyrobu sprężyn lub ramek wyprowadzeniowych, osiąga każdorazowo wartości, leżące w zakresie od 26 do około 32 m/Ω mm². W optymalnych warunkach przy użyciu tych standardowych materiałów temperatura powierzchni walców ciągnących osiągnęłaby jedynie około 585°C.

Na zakończenie ze znanych w zasadzie z patentu amerykańskiego US 4 179 314 stopów na bazie CuCcBeZr lub CuNiBeZr nie wynika, aby przy odpowiednim doborze składników stopowych możliwe było osiągnięcie przewodności powyżej 38 m/Ω mm²w połączeniu z twardością, wynoszącą minimum 200 HB.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest zaproponowanie stopu do wytwarzania walców ciągnących, płaszczy walców ciągnących i rolek prowadniczych, który nawet przy prędkościach odlewania, przekraczających 3,5 m/min byłby niewrażliwy na działanie zmiennych obciążeń termicznych, lub wykazywałby wysoką wytrzymałość zmęczeniową w temperaturach pracy walców ciągnących.

Zadanie to zgodnie z wynalazkiem zostało rozwiązane dzięki temu, że wytworzony został szczególnie przydatny do tego celu utwardzalny dyspersyjnie stop miedzi, składający się z 1,0 do 2,6% niklu, 0,1 do 0,45% berylu oraz jako reszty miedzi wraz z zanieczyszczeniami, wynikającymi z procesu technologicznego, i stosowanymi zwykle do obróbki dodatkami, o twardości Brinella minimum 200 HB i przewodności elektrycznej powyżej 38 m/Ω mm².

Dalszą poprawę własności mechanicznych, a zwłaszcza wzrost wytrzymałości na rozciąganie, można zasięgnąć korzystnie poprzez dodatek cyrkonu w ilości od 0,05 do 0,25%.

Zalecane są zgodne z wynalazkiem stopy miedzi, w których stosunek zawartości niklu do zawartości berylu przy zawartości niklu w stopie powyżej 1,2% wynosi przynajmniej 5:1.

Dalszą poprawę własności mechanicznych można uzyskać, jeżeli do stosowanego zgodnie z wynalazkiem stopu dodany zostanie przynajmniej jeden pierwiastek z grupy, obejmującej niob, tantal, wanad, tytan, chrom, cer i hafn, w łącznej ilości, nie przekraczającej 0,15%.

170 470

Podczas badań stopów, ujętych w normach ASTM i DIN okazało się nieoczekiwanie, że przy zawartości niklu od 1,1 do 2,6 możliwe jest uzyskanie własności, wymaganych dla walców ciągnących na wymiar zbliżony do końcowego - tzn. twardości Brinella powyżej 200 HB i przewodności elektrycznej minimum 30 m/Ω mm² - a w związku z tym również wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej, jeżeli stosunek zawartości niklu do zawartości berylu będzie ściśle określony i zostanie przeprowadzona odpowiednia obróbka cieplna lub termomechaniczna.

Cel wynalazku w zakresie sposobu został osiągnięty dzięki temu, że odlewy ze stopu miedzi najpierw się wyżarza zupełnie w temperaturze 925°C, następnie odlewy te hartuje się po czym w danym przypadku poddaje się ich przeróbce plastycznej na zimno przy zgniocie około 25% i wreszcie poddaje się ich obróbce utwardzania dyspersyjnego w temperaturze od 350 do 550°C przez czas około 4 do 32 godzin.

Przedmiot wynalazku został objaśniony na podstawie kilku przykładów wykonania. Na przykładzie czterech zgodnych z wynalazkiem stopów /stop F do KJ oraz czterech stopów porównawczych /stop A do D/ pokazano, jak krytycznym czynnikiem osiągnięcia wymaganej kombinacji własności jest skład stopu. Skład stopów, stanowiących przedmiot przykładów, podany został w % wagowych w tabeli 1. Odpowiednie wyniki badań zostały ujęte w tabeli 2.

Tabela 1

Stop	Ni	Be	Cu
A	1,43	0,54	reszta
B	1,48	0,40	reszta
C	1,83	0,42	reszta
D	2,12	0,53	reszta
F	1,48	0,29	reszta
G	1,86	0,33	reszta
H	1,95	0,30	reszta
K	2,26	0,35	reszta

Tabela 2

Stop	Ni/Be	HB /2,5/187,5/	2 Przew. elektr. m/Ω mm
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

W tabeli 2 zostały podane dla stopów o różnych zawartościach niklu i berylu - i odpowiednio różnych proporcjach między zawartością niklu i berylu - uzyskane wartości twardości i przewodności elektrycznej. Wszystkie stopy były wytapiane w piecu próżniowym, poddawane obróbce plastycznej na gorąco, a następnie, po przynajmniej jednogodzinnym wyżarzeniu zupełnym w 925°C i szybkim chłodzeniu w wodzie, poddawane utwardzaniu dyspersyjnemu przez 4 do 32 godzin w zakresie temperatur od 350 do 550°C.

Jak widać na przykładzie stopów F, G, H i K, wymagane własności są możliwe do osiągnięcia, jeżeli stosunek wagowych zawartości niklu do berylu będzie wynosił przynajmniej 5:1. Jeżeli walce ciągnące lub płaszcze tych walców zostaną po wyżarzaniu zupełnym poddane dodatkowo obróbce plastycznej na zimno przy zgniocie około 25%, możliwe będzie dalsze podwyższenie przewodności elektrycznej.

170 470

I tak przykładowo dla stopu o zawartości 1,48% niklu i stosunku Ni/Be, wynoszącym przynajmniej 5,1 w wyniku 32-godzinnego utwardzania dyspersyjnego w 480°C uzyskano przewodność elektryczną, równą 43 m/Ω iw i twardość Brinella, równą 225 HB. Wraz ze wzrostem zawartości niklu możliwa jest dalsza optymalizacja własności w wyniku zwiększenia proporcji Ni/Be. Stop miedzi o zawartości 2,26% niklu i stosunku Ni/Be równym 6,5 ma po 32-godzinnym utwardzaniu wydzieleniowymi w 480°C twardość Brinella równą 230 HB i przewodność elektryczną równą40,5 m/Ω mm². Przykładowo dla zawartości niklu równej 2,3% górną granicę stosunku Ni/Be, która umożliwia uzyskanie wymaganej kombinacji własności, stanowi 7,5.

Skład i własności technologiczne siedmiu dalszych przewidzianych do stosowania zgodnie z wynalazkiem, stopów są podane w tabelach 3 i 4. Wszystkie stopy były poddawane wyżarzaniu zupełnemu w 925°C, następnie obróbce plastycznej przy 25% zgniocie, na zakończenie 16 godzinnemu utwardzaniu dyspersyjnym w 480°C.

Tabela 3

Stop	Ni %	Be %	Zr %	Cu
L	1,49	0,24		reszta
M	2,26	0,35		reszta
N	2,07	0,32	0,18	reszta
O	1,51	0,28	0,19	reszta
P	1,51	0,21	0,17	reszta
R	1,40	0,21	0,21	reszta
S	1,78	0,28	0,21	reszta

Tabela 4

Stop	Ni/Be	Granica plastyczności N/mm²	Rm N/mm2	Wydłużenie %	Twardość HB 2,5/187,5	Przew. elektr. 2 m/mm
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

Na podstawie powyższych wyników badań można stwierdzić ponadto, że również w przypadku stopów na bazie CuNiBe z dodatkiem cyrkonu, przy zachowaniu stosunku Ni/Be od 5 do 7,5 można osiągnąć wysoką przewodność elektryczną w połączeniu z wysoką twardością w skali Brinella. Przy dodatku cyrkonu do 0,25% przewodność elektryczna w porównaniu ze stopem na bazie CuNiBe, nie zawierającym cyrkonu, obniża się bardzo nieznacznie, przy czym zapewnionejest osiągnięcie minimalnej wartości, równej 38 m/Ω mm². Z drugiej strony dodatek cyrkonu ma korzystny wpływ na przebieg procesu technologicznego i zwiększa podatność stopu na obróbkę plastyczną na gorąco.

Do uzupełniających badań zmęczeniowych wybrany został stop N, ponieważ nie charakteryzuje się on stosunkowo niską przewodnością elektryczną. Przy użyciu stopu N maksymalna możliwa do osiągnięcia, temperatura powierzchni walca odlewniczego wynosi około 490°C. Przy występowaniu znanego dotychczas obciążenia walca odlewniczego w trakcie odlewania stali czas życia w przypadku stosowanego zgodnie z wynalazkiem stopu N wydłuża się w stosunku do stopu na bazie CuCrZr 2- do 3-krotnie. Dzięki wysokiej twardości Brinella nie

170 470 zachodzi już niebezpieczeństwo uszkodzenia powierzchni walca odlewniczego na skutek wciskania rozprysków stopionego metalu.

Podobne krytyczne zmienne obciążenia termiczne występują również w kołach odlewniczych podczas ciągłego odlewania kęsów do wyrobu drutów przy pomocy znanych odlewarkowalcarek Southwire i Properzi. Przeznaczony do stosowania zgodnie z wynalazkiem stop na bazie CuNiBe/Zr/ stanowi obecnie szczególnie odpowiedni materiał do wytw/arzania kół odlewniczych również tymi sposobami. Te sposoby odlewania w związku z niewystarczającymi parametrami stosowanych na koła odlewnicze materiałów nie były dotychczas wykorzystywane przy odlewaniu stali.

Na zakończenie w ciągu ostatnich trzech lat rozwinęły się inne sposoby odlewania stali na wymiar, zbliżony do końcowego, w których krystalizatory miedziane na skutek wyjątkowo dużej prędkości odlewania, wynoszącej od 3,5 do około 7 m/min, osiągają skrajnie wysokie temperatury powierzchni, dochodzące do 500°C. W celu zminimalizowania tarcia między krystalizatorem i pasmem stali wymagane jest ponadto ustawienie wysokiej częstotliwości drgań oscylacyjnych krystalizatora na poziomie 400 suwów/min i więcej. Kołyszące się w sposób okresowo powtarzalny lustro kąpieli prowadzi jednak zarazem do znacznych obciążeń zmęczeniowych krystalizatora w obszarze menisku, co pociąga za sobą zbyt krótki czas żywotności tego rodzaju krystalizatora. Przy zastosowaniu zgodnych z wynalazkiem stopów na bazie CuNiBe/Zr/ o wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej również w przypadku tego zastosowania można osiągnąć znaczne wydłużenie żywotności walców ciągnących, rolek prowadniczych, krystalizatorów itp.

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Stop miedzi utwardzany dyspersyjnie do wytwarzania specjalnych odlewów takich jak walców ciągnących, płaszczy walców ciągnących i rolek prowadniczych stosowanych w urządzeniach do odlewania ciągłego metalowych wyrobów na wymiar zbliżony do wymiaru na gotowo i podlegających zmiennym obciążeniom cieplnym, znamienny tym, że zawiera wagowo od 1,0 do 2,6% niklu, od 0,1 do 0,45% berylu i jako resztę miedź oraz zwykłe zanieczyszczenia wynikające z procesu technologicznego i ze stosowania do obróbki zwykłych dodatków.
2. Stop według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ponadto od 0,05 do 0,25% wagowych cyrkonu.
3. Stop według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera wagowo od 1,4 do 2,2% niklu, od 0,2 do 0,35% berylu, od 0,15 do 0,2% cyrkonu i jako resztę miedź oraz zwykłe zanieczyszczenia wynikające z procesu technologicznego i z stosowania do obróbki zwykłych dodatków.
4. Stop według zastrz. 1, albo 3, znamienny tym, że stosunek niklu do berylu przy zawartości niklu powyżej 1,2% wagowych wynosi co najmniej 5.
5. Stop według zastrz. 4, znamienny tym, że stosunek niklu do berylu wynosi od

5,5 do 7,5.
6. Stop według zastrz. 1, albo 3, znamienny tym, że zamiast całkowitej lub częściowej ilości niklu zawiera kobalt.
7. Sposób wytwarzania specjalnych odlewów, takich jak walców ciągnących, płaszczyzny walców ciągnących i rolek prowadniczych, stosowanych w urządzeniach do odlewania ciągłego, z utwardzanego dyspersyjnie stopu miedzi, znamienny tym, że odlewy ze stopu miedzi najpierw się wyżarza zupełnie w temperaturze 925°C, następnie hartuje się je, po czym w danym poddaje się je przeróbce plastycznej na zimno przy zgniocie około 25% i wreszcie poddaje się je obróbce utwardzania dyspersyjnego w temperaturze od 350 do 550°C, przez czas od 4 do 32 godzin.