PL198565B1 - Zastosowanie utwardzalnego stopu miedzi - Google Patents

Abstract

1. Zastosowanie utwardzalnego stopu miedzi, zawieraj acego 1,2-2,7% kobaltu, przy czym do 80% zawarto sci kobaltu mo zna zast api c niklem, 0,01-0,5% cyrkonu, 0,3-0,7% berylu, opcjonalnie 0,005-0,2% magnezu i/lub zelaza, ewentualnie maksymalnie do 0,15% wagowych co najmniej jedne- go pierwiastka z grupy obejmuj acej niob, tantal, wanad, hafn, chrom, mangan, tytan i cer oraz jako reszty miedzi lacznie z zanieczyszczeniami technologicznymi i typowymi dodatkami procesowymi, który to stop po obróbce plastycznej na gor aco jest poddawany obróbce plastycznej na zimno ze zgniotem od 5 do 30%, nast epnie w stanie obrobionym plastycznie na zimno przy zgniocie 5-30% jest poddawany wy zarzaniu rozpuszczaj acemu w przedziale temperatur od 850-970°C oraz utwardzaniu w temperaturze 400-550°C w czasie 0,5-16 godzin, za s w stanie utwardzonym ma wytrzyma losc na rozci aganie wynosz ac a co najmniej 650 MPa, twardo sc w skali Vickersa wynosz ac a co najmniej 210 HV, przewodnosc elektryczn a wynosz ac a co najmniej 40% IACS, wytrzyma lo sc na rozci aganie w 500°C wynosz ac a co najmniej 400 MPa, twardo sc minimaln a po 500-godzinnym wytrzymywaniu w 500°C wynosz ac a 160 HV oraz maksymaln a wielko sc ziarna wed lug ASTM E 112 wynosz ac a 0,5 mm, na for- my odlewnicze, zw laszcza na boczne obrze za urz adze n do ci ag lego odlewania. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie utwardzalnego stopu miedzi jako materiał do wytwarzania bloków na boczne obrzeża urządzeń do ciągłego odlewania.

Stawiany na całym świecie cel, zwłaszcza w przemyśle przetwórstwa stali i miedzi, zawierający się w takim odlewaniu półwyrobów aby były one jak najbliższe wymiarom końcowym, doprowadził już w roku 1970 do rozwoju urządzeń do ciągłego odlewania zwanych urządzeniami Hazeletta, w których stopiony metal krzepnie w szczelinie pomiędzy dwiema równoległymi taśmami. Boczne obrzeża, na przykład urządzenia znanego z amerykańskiego opisu patentowego nr US 3 865 176, składały się z metalowych bloków kształtowych względnie bloków bocznych obrzeży zaopatrzonych w teowy rowek, ustawionych w szeregu na elastycznej taśmie bez końca, na przykład taśmie stalowej, i poruszających się w kierunku wzdłużnym synchronicznie względem taśm maszyny rozlewniczej. Bloki bocznych obrzeży stanowiły przy tym ograniczenie wnęki formy odlewniczej, utworzonej przez taśmy maszyny rozlewniczej.

Ponadto, z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 974 413 A1 znane są łańcuchowe obrzeża boczne dla urządzeń do odlewania ciągłego. Zaleta tych udoskonalonych bloków z wpustem i piórem polega na dokładnym ustawieniu i prowadzeniu bloków w procesie odlewania i zapewnia poprawę jakości powierzchni odlewanego pasma metalu. Aby zapobiec przedwczesnemu starciu bocznych krawędzi bloków w wyniku plastycznego odkształcenia i pękania, odpowiedni materiał musi mieć wysoką twardość i wytrzymałość, drobnoziarnistą strukturę a także musi być odporny na mięknienie w dłuższym czasie. Aby odprowadzać ciepło krzepnięcia ze stopionego metalu w stanie płynnym, konieczna jest ponadto wysoka przewodność cieplna materiału zastosowanego na bloki formierskie.

Decydujące znaczenie mą wreszcie optymalna wytrzymałość zmęczeniowa materiału, która sprawia, że po opuszczeniu odcinka zalewania naprężenia cieplne, występujące przy ponownym chłodzeniu bloków, nie powodują pękania bloków w narożach teowego rowka przeznaczonego do umieszczenia stalowej taśmy. Szczególnie wysokich naprężeń cieplnych należy przy tym oczekiwać z uwagi na niekorzystną geometrię i rozkład masy - w blokach o konstrukcji na pióro i wpust.

Jeżeli wystąpią pęknięcia spowodowane szokiem termicznym, wówczas już po krótkim czasie blok formierski wypada z łańcuchowego bocznego obrzeża maszyny do ciągłego odlewania, przy czym stopiony metal wypływa wówczas w sposób niekontrolowany z wnęki formy odlewniczej i może prowadzić .do uszkodzeń części urządzenia. W celu wymiany uszkodzonych bloków formierskich trzeba zatrzymać całe urządzenie i przerwać proces odlewania.

W zakresie badania skłonności do pękania rozpowszechniła się metoda testowa, w której bloki formierskie poddaje się dwugodzinnej obróbce cieplnej w temperaturze 500°C, a następnie szybko chłodzi w wodzie o temperaturze od 20 do 25°C. Nawet przy wielokrotnym powtarzaniu tego badania na działanie szoku termicznego w odpowiednim materiale nie mogą wystąpić pęknięcia w powierzchni teowego rowka.

W europejskim opisie patentowym nr EP 0 346 645 B1 przedstawiony jest utwardzalny stop bazowy miedzi, który składa się z 1,6 do 2,4% niklu, 0,5 do 0,8% krzemu, 0,01 do 0,2% cyrkonu, wedle wyboru do 0,4% chromu i/lub do 0,2% żelaza oraz reszty w postaci miedzi łącznie z zanieczyszczeniami technologicznymi. Ten znany stop miedzi spełnia w zasadzie założenia w zakresie długiego czasu pracy, jeżeli zostanie zastosowany jako materiał do wytwarzania standardowych bloków formierskich na boczne obrzeża urządzeń do ciągłego odlewania. Dla tego stopu miedzi podano następującą kombinację własności:

Rm w 20°C 635 do 660 MPa,

Rm w 500°C 286 do 372 MPa twardość w skali Brinella: 185 do 191 HB (odpowiada w przybliżeniu około

195 do 210 HV) przewodność : 41,4 do 43,4% IACS.

Podczas testu na szok termiczny nie występują pęknięcia. Zaleta w porównaniu do stopów bazowych miedzi, zawierających beryl, polega na możliwości końcowego ręcznego szlifowania na sucho bloków formierskich, ponieważ pył szlifierski nie zawiera berylu. Obróbka wykańczająca bloków obrzeży bocznych z wpustem i piórem jest znacznie bardziej skomplikowana i wymaga z reguły maszynowego czyszczenia (na mokro) teowego rowka i powierzchni odlewniczych (na przykład w zamkniętych komorach), co hamuje powstawanie pyłu szlifierskiego. W tych warunkach zatem możliwe byłoby w zasadzie zastosowanie stopów na bazie miedzi zawierających beryl.

PL 198 565 B1

Blok obrzeża bocznego, wykonany z opisanego w EP 0 346 645 B1 stopu CuNiSiZr, wykazuje jednak przy bardzo wysokich obciążeniach mechanicznych i cieplnych podczas pracy urządzenia do ciągłego odlewania niekorzystną tendencję do przedwczesnego ścierania bocznych krawędzi i powierzchni odlewniczych. Ścieranie to - jak pokazały wyniki badań - należy tłumaczyć mięknieniem materiału krawędzi i powierzchni odlewniczych do wartości poniżej 160 HV. Ponadto odporność znanego stopu Cu-NiSiZr przy zastosowaniu go na blok obrzeża bocznego z piórem i wpustem jest nie zawsze wystarczająca, aby powstrzymać pękanie teowego rowka podczas odlewania.

EP 0 548 636 A i US 4 179 314 A ujawniają inne stopy Cu oraz ich zastosowanie na formy odlewnicze.

Utwardzalny stop miedzi, zawierający 1,2-2,7% kobaltu, przy czym do 80% zawartości kobaltu można zastąpić niklem, 0,01-0,5% cyrkonu, 0,3-0,7% berylu, opcjonalnie 0,005-0,2% magnezu i/lub żelaza, ewentualnie maksymalnie do 0,15% wagowych co najmniej jednego pierwiastka z grupy obejmującej niob, tantal, wanad, hafn, chrom, mangan, tytan i cer oraz jako reszty miedzi łącznie z zanieczyszczeniami technologicznymi i typowymi dodatkami procesowymi, który to stop po obróbce plastycznej na gorąco jest poddawany obróbce plastycznej na zimno ze zgniotem od 5 do 30%, następnie w stanie obrobionym plastycznie na zimno przy zgniocie 5-30% jest poddawany wyżarzaniu rozpuszczającemu w przedziale temperatur od 850-970°C oraz utwardzaniu w temperaturze 400-550°C w czasie 0,5-16 godzin, zaś w stanie utwardzonym ma wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą co najmniej 650 MPa, twardość w skali Vickersa wynoszącą co najmniej 210 HV, przewodność elektryczną wynoszącą co najmniej 40% IACS, wytrzymałość na rozciąganie w 500°C wynoszącą co najmniej 400 MPa, twardość minimalną po 500-godzinnym wytrzymywaniu w 500°C wynoszącą 160 HV oraz maksymalną wielkość ziarna według ASTM E 112 wynoszącą 0,5 mm, stosuje się według wynalazku na formy odlewnicze, zwłaszcza na boczne obrzeża urządzeń do ciągłego odlewania.

Korzystnie utwardzalny stop miedzi zawierający 1,8-2,4% kobaltu, 0,45-0,65% berylu, 0,15-0,3% cyrkonu, do 0,05% magnezu, do 0,1% żelaza oraz jako resztę miedź łącznie z zanieczyszczeniami technologicznymi i typowymi dodatkami procesowymi, po obróbce na gorąco poddaje się obróbce plastycznej na zimno, przy zgniocie 10-15%, zaś w stanie utwardzonym stop ma wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 700-900 MPa, twardość w skali Vickersa wynoszącą 230-280 HV, przewodność elektryczną wynoszącą 45-60% IACS, wytrzymałość na rozciąganie w 500°C wynoszącą co najmniej 450 MPa, twardość minimalną po 500-godzinnym wytrzymywaniu w 500°C wynoszącą 160 HV oraz maksymalną wielkość ziarna według ASTM E 112 leżącą pomiędzy 30 i 90 ąm.

Zastosowanie według wynalazku zapewnia z jednej strony utwardzalność materiału wystarczającą do osiągnięcia wysokiej wytrzymałości, twardości i przewodności. Z drugiej strony wymagany jest jedynie stosunkowo niewielki zgniot, wynoszący od 5% do maksymalnie 30%, aby uzyskać drobnoziarnistą strukturę o wystarczającej plastyczności. Celowy dobór zawartości cyrkonu poprawia zarówno wytrzymałość zmęczeniową, jak też wytrzymałość cieplną.

Przy zastosowaniu kolejności etapów obróbki według wynalazku udaje się ponadto nieoczekiwanie wyeliminować zaobserwowane w znanych stopach CuCoBe, niekorzystne zachowanie rekrystalizacyjne podczas obróbki plastycznej na gorąco i wyżarzania rozpuszczającego. Zachowanie to przy wytwarzaniu bloków formierskich ze stopów CuCoBe w stanie odkształconym plastycznie na gorąco, wyżarzonym rozpuszczająco i utwardzonym prowadzi do wytworzenia niedopuszczalnej w tym zastosowaniu gruboziarnistej struktury o wielkości ziarna powyżej 1 mm. Jeżeli jednak materiał pomiędzy obróbką plastyczną na gorąco i wyżarzaniem rozpuszczającym poddany zostanie obróbce plastycznej na zimno przy zgniocie maksymalnie do 40%, korzystnie maksymalnie do 15%, wówczas ta dodatkowa operacja prowadzi do uzyskania struktury o znacznie drobniejszym ziarnie. Odpowiednie badania wykazały, że materiały na bloki formierskie do wytwarzania bocznych obrzeży urządzeń do ciągłego odlewania, poddane obróbce plastycznej na zimno poniżej temperatury rekrystalizacji a następnie wyżarzone rozpuszczające, mają wyraźnie drobniejszą strukturę o wielkości ziarna poniżej 0,5 mm, natomiast większe zgnioty powyżej 40% prowadzą przy następującym po nich wyżarzaniu rozpuszczającym do zwiększenia wielkości ziarna w wyniku rekrystalizacji wtórnej do wielkości powyżej 1 mm.

Poniżej wynalazek jest opisany w odniesieniu do przykładów wykonania. Na podstawie trzech stopów według wynalazku (A, B i C) i trzech stopów porównawczych (D, E i F) wykazane są zalety wynalazku. Skład stopów miedzi w procentach wagowych jest podany w tabeli 1.

PL 198 565 B1

T a b e l a 1

Stop	Co (%)	Ni (%)	Be (%)	Zr (%)	Si (%)	Cr (%)	Cu (%)
A	2,1	-	0,54	0,18	-	-	reszta
B	2,2	-	0,56	0,24	-	-	reszta
C	1,3	1,0	0,48	0,15	-	-	reszta
D	-	2,0	-	0,16	0,62	0,34	reszta
E	2,1	-	0,55	-	-	-	reszta
F	1,0	1,1	0,62	-	-	-	reszta

W przypadku składu stopu D chodzi o znany stop bazowy CuNiSi, natomiast E i F są znormalizowanymi tworzywami typu CuCo2Be względnie CuCoNiBe.

Wszystkie stopy miedzi stopiono w tyglowym piecu indukcyjnym, po czym odlano z nich metodą ciągłą okrągłe wlewki o średnicy 280 mm. Okrągłe wlewki stopów A, B i C przetłoczono na prasie ślimakowej w temperaturze powyżej 900°C na płaskowniki o wymiarach 79 x 59 mm, a następnie przeciągnięto przy 12% zmniejszeniu przekroju do wymiarów 75 x 55 mm. Bloki stopów porównawczych D, E i F przetłaczano w tej samej temperaturze bezpośrednio do wymiarów 75 x 55 mm bez dodatkowej obróbki plastycznej na zimno. Tworzywa typu Cucone, względnie CuCoNiBe wyżarzono następnie rozpuszczająco w temperaturze od 900 do 950°C, po czym utwardzono w przedziale od 0,5 temperatur od 450 do 550 C przez czas od 0,5 do 16 godzin.

Stop bazowy CuNiSi wyżarzono rozpuszczająco w temperaturze od 800 do 850°C i utwardzono w takich samych warunkach. W stanie utwardzonym wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie Rm, twardość w skali Vickersa HV10, przewodność elektryczną (jako wielkość zastępczą dla przewodności cieplnej), wielkość ziarna według ASTM E 112, wytrzymałość Rm w 500°C i odporność na mięknienie za pomocą pomiaru twardości w skali Vickersa (HV10) po wytrzymywaniu w 500°C przez czas 500 godzin.

Bloki formierskie 1 o wymiarach 70 x 50 x 40 mm i bloki formierskie 2 z wpustem i piórem o wymiarach 70 x 50 x 47 mm zbadano na zakończenie w warunkach szoku termicznego. W tym celu najpierw wyżarzono bloki formierskie przez dwie godziny w temperaturze 500°C, a następnie ochłodzono je szybko w wodzie o temperaturze od 20 do 25°C. Teowy rowek bloków był następnie poddawany oględzinom okiem nieuzbrojonym i przy użyciu mikroskopu o 10-krotnym powiększeniu, w celu wykrycia obecności pęknięć.

Wszystkie wyniki badań są zestawione w poniższej tabeli 2.

T a b e l a 2

Stop	RM MPa	HV10	Przewodność % IACS	Wielkość ziarna μ.ιτ	Rm (500°C) MPa	Twardość V10 po wytrzymywaniu w 500°C przez 500 h	Zachowanie po teście na szok termiczny
Blok 1	Blok 2
A	801	254	50	30-90	523	173	bez pęknięć	bez pęknięć
B	804	245	51,5	45-90	464	175	bez pęknięć	bez pęknięć
C	812	255	49,5	45-90	485	167	bez pęknięć	bez pęknięć
D	652	205	43	45-90	387	118	bez pęknięć	popękane
E	786	260	50, 5	do 5000	423	150	popękane	popękane
F	807	248	48,5	do 3000	343	152	popękane	popękane

PL 198 565 B1

Wymiar stwierdzonych pęknięć w teowym rowku wynosił w blokach zaklasyfikowanych jako „popękane od 2 do 5 mm, w pojedynczych przypadkach długość pęknięć wynosiła do 10 mm. W porównaniu do tworzyw E i F jedynie stopy miedzi A, B i C według wynalazku, wykonane z udziałem dodatkowej niewielkiej obróbki plastycznej na zimno, wykazują przy optymalnych własnościach nieoczekiwanie równomierną i drobnoziarnistą strukturę, a także wymaganą wytrzymałość na pękanie przy zastosowaniu ich jako bloki formierskie z wpustem i piórem. Również przy zastosowaniu jako typowe bloki formierskie stopy miedzi według wynalazku wykazują wyraźnie lepszą odporność na mięknienie w stosunku do znanego stopu CuNiSi, oznaczonego literą D, oraz nieco lepszą odporność na mięknienie w porównaniu do stopów E i F.

Stop miedzi według wynalazku nadaje się zatem znakomicie jako materiał do wytwarzania wszystkich bloków formierskich na boczne obrzeża urządzeń do ciągłego odlewania, podlegających w procesie odlewania typowym zmiennym obciążeniom cieplnym. Są to zarówno stosowane dotychczas bloki formierskie, jak też bloki formierskie o konstrukcji z piórem i wpustem znane z EP 0 974 413 A1.

Claims (2)

1. Zastosowanie utwardzalnego stopu miedzi, zawierającego 1,2-2,7% kobaltu, przy czym do 80% zawartości kobaltu można zastąpić niklem, 0,01-0,5% cyrkonu, 0,3-0,7% berylu, opcjonalnie 0,005-0,2% magnezu i/lub żelaza, ewentualnie maksymalnie do 0,15% wagowych co najmniej jednego pierwiastka z grupy obejmującej niob, tantal, wanad, hafn, chrom, mangan, tytan i cer oraz jako reszty miedzi łącznie z zanieczyszczeniami technologicznymi i typowymi dodatkami procesowymi, który to stop po obróbce plastycznej na gorąco jest poddawany obróbce plastycznej na zimno ze zgniotem od 5 do 30%, następnie w stanie obrobionym plastycznie na zimno przy zgniocie 5-30% jest poddawany wyżarzaniu rozpuszczającemu w przedziale temperatur od 850-970°C oraz utwardzaniu w temperaturze 400-550°C w czasie 0,5-16 godzin, zaś w stanie utwardzonym ma wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą co najmniej 650 MPa, twardość w skali Vickersa wynoszącą co najmniej 210 HV, przewodność elektryczną wynoszącą co najmniej 40% IACS, wytrzymałość na rozciąganie w 500°C wynoszącą co najmniej 400 MPa, twardość minimalną po 500-godzinnym wytrzymywaniu w 500°C wynoszącą 160 HV oraz maksymalną wielkość ziarna według ASTM E 112 wynoszącą 0,5 mm, na formy odlewnicze, zwłaszcza na boczne obrzeża urządzeń do ciągłego odlewania.

2. Zastosowanie według zastrz. 1, znamienne tym, że utwardzalny stop miedzi zawierający 1,8-2,4% kobaltu, 0,45-0,65% berylu, 0,15-0,3% cyrkonu, do 0,05% magnezu, do 0,1% żelaza oraz jako resztę miedź łącznie z zanieczyszczeniami technologicznymi i typowymi dodatkami procesowymi, po obróbce na gorąco poddaje się obróbce plastycznej na zimno przy zgniocie 10-15%, zaś w stanie utwardzonym stop ma wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 700-900 MPa, twardość w skali Vickersa wynoszącą 230-280 HV, przewodność elektryczną wynoszącą 45-60% IACS, wytrzymałość na rozciąganie w 500°C wynoszącą co najmniej 450 MPa, twardość minimalną po 500-godzinnym wytrzymywaniu w 500°C wynoszącą 160 HV oraz maksymalną wielkość ziarna według ASTM E 112 leżącą pomiędzy 30 i 90 pm.