PL248637B1 - Sposób wytwarzania drutów ze stopu Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti do zastosowań w technologii przyrostowej 3D WAAM - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania drutów ze stopów miedzi Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti, który charakteryzuje się tym, że odlewanie stopu o zawartości Ni (11% - 12% mas.), Fe (0,7% — 2% mas.), Mn (1% — 1,5% mas.), Si (0,6% — 1% mas.), Ti (0,001% - 0,5% mas.) prowadzi się z prędkością odlewania 85 - 813 mm/min z jednoczesnym pierwszym chłodzeniem w krystalizatorze zachowując temperaturę wody na wyjściu z chłodnicy krystalizatora w zakresie 50°C - 77°C, po czym następuje chłodzenie wtórne oddalone o 15 - 70 cm od wyjścia pasma z krystalizatora, przy czym dla stopu o zawartości Si (0,8% - 1% mas.) i Ti (0,002% - 0,5% mas.) wewnątrz krystalizatora stosuje się tuleję wykonaną z azotku boru w gatunku BN+SiC+ZrO2, po czym po procesie odlewania prowadzi się wygrzewanie w temperaturze 950°C - 1000°C w czasie 3 - 5 godzin bez atmosfery ochronnej, a następnie natychmiastowo chłodzi się w wodzie, po czym dla każdego stopu wytworzony pręt ciągnie się do średnicy 1 mm, a w trakcie ciągnienia przeprowadza się operacje skórowania: pierwszą przy średnicy 6,58 mm, drugą przy średnicy 5,98 mm z pośrednia operacją ciągnienia do średnicy 6,1 mm.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania drutów ze stopu Cu-Ni-Fe- Mn-Si-Ti do zastosowań w technologii przyrostowej 3D WAAM do wytwarzania obiektów przestrzennych o podwyższonych własnościach mechanicznych przeznaczonych do pracy w warunkach korozyjnych.

Znanym jest z patentu PL238075 sposób wytwarzania litych drutów spawalniczych w procesie na który składa się oczyszczanie walcówki, ciągnienie walcówki z nawijaniem, odwijanie półwyrobu ciągnienie na sucho, miedziowanie, kalibrowanie oraz pakowanie czyszczenia, ciągnienia wstępnego na sucho, nawijania i odwijania, ciągnienia przed miedziowaniem i płukania charakteryzuje się tym, że stosuje się czyszczenie walcówki za pomocą strumienia wody pod wysokim ciśnieniem, reguluje się prędkości ciągnienia na sucho półwyrobu poprzez zastosowanie w miejsce rolki napinającej dodatkowej pętli z tyłu bębna ciągarskiego, stosuje płukanie drutu gorąca wodą pod ciśnieniem, dotrawianie elektrochemiczne w kwasie siarkowym (H2SO4) trzykrotne płukanie i miedziowanie w roztworze siarczanu miedzi (CuSO4), wody i kwasu siarkowego. Korzystnie po uzyskaniu średnicy końcowej drut spawalnicy myje się zwykłą wodą a następnie usuwa się resztki mydła ciągarskiego w zbiorniku ze środkiem trawiącym. Korzystnie stosuje się zwijanie drutu w kosze bez nawijania.

Z patentu PL242160 znany jest sposób otrzymywania drutu ze stopu Cu-Al- Mn-Ni-Fe zwłaszcza do technologii przyrostowych prowadzony poprzez wieloetapowy obróbkę cieplną w atmosferze ochronnej, charakteryzujący się tym, że po wyżarzaniu w temperaturze 700-800°C prowadzi się wyżarzanie półwyrobu w temperaturze o zakresie 450-750°C w czasie 45-60 min, po czym wytrawia się w kąpieli trawiącej, w temperaturze 50-60°C przez 50-60 minut, a następnie płucze, po czym czyści.

W przypadku drutów jednakże bimetalowych znany jest z patentu nr P.373977 sposób wytwarzania drutów posiadających rdzeń z niklu otoczony warstwą stalową. Polega on na tym, że materiały wyjściowe, którymi jest taśma stalowa i drut z niklu, prostuje się i odtłuszcza a następnie poddaje się je procesowi aktywacji powierzchni, po czym oczyszcza się je podciśnieniowo. Następnie taśmę zwija się w rurkę i wprowadza do niej rdzeń a tak otrzymany kompozyt poddaje się wstępnemu wyżarzaniu, polegającemu na nagrzewaniu kompozytu z prędkością 5-7 stopni na minutę do temperatury 650-750°C i wygrzaniu go w niej przez 1-2 godzin a następnie chłodzeniu do temperatury otoczenia z prędkością 5-10 stopni na minutę. Tak wstępnie wyżarzony kompozyt podaje się naprzemiennym operacjom ciągnienia i wyżarzania. Po końcowym ciągnieniu ze zgniotem jednostkowym 8-15% w pojedynczych ciągach oraz z sumarycznym zgniotem 35-70%, otrzymany drut bimetalowy, po ewentualnym odtłuszczeniu, korzystnie pokrywa się warstwą miedzi i otuliną zawierającą topniki.

Z kolejnego patentu o PL221274 znany jest sposób wytwarzania drutów w tym mikrodrutów, ze stopów Cu-Ag, zwłaszcza ze stopów Cu-(3+7,9)%wag. Ag, polega na tym, że materiały w postaci miedzi i srebra o wysokiej czystości chemicznej poddawane są procesowi topienia w temperaturze 1083+1300°C w tyglu grafitowym umieszczonym w piecu, a następnie procesowi odlewania ciągłego w temperaturze 1083+1300°C. w atmosferze gazu obojętnego przy zastosowaniu krystalizatora grafitowego, w warunkach chłodzenia pierwotnego (chłodzenie krystalizatora) oraz wtórnego (zakrzepniętego stopu po wyjściu z krystalizatora). Tak otrzymany odlew poddany jest obróbce cieplno-mechanicznej.

Wspólnym mianownikiem powyższych rozwiązań jest konieczność prowadzenia przy procesie wytwarzania drutów wielu procesów między operacyjnej obróbki cieplnej w celu zniwelowania skutków odkształcenia na zimno oraz procesów oczyszczenia powierzchni w procesach trawienia.

Opracowana technologia wytwarzania drutów o średnicy 1 mm z trudno odkształcalnego stopu w gatunku Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti z ponadnormatywną zawartością Si w dwóch odmianach dedykowanych do technologii przyrostowych, charakteryzująca się dla jednej odmiany (zawartość Ti < 0,002% mas. i Si < 0,8% mas.) wyeliminowaniem konieczności prowadzenia obróbki cieplnej ze względu na przesycenie materiału w trakcie procesu odlewania ciągłego i uzyskanie wysokiej podatności do przeróbki plastycznej. Natomiast dla drugiej odmiany (Ti > 0,002% mas. i Si > 0,8% mas.) charakteryzująca się zastosowaniem pojedynczej operacji obróbki cieplnej z zastosowaniem chłodzenia w wodzie bez atmosfery ochronnej w celu przesycenia materiału i uzyskania wyższej podatności do przeróbki plastycznej oraz usunięcia zewnętrznej warstwy tlenkowej, co eliminuje konieczność prowadzenia procesu trawienia powierzchni. Ponadto jednostkowe odkształcenie względne w zakresie 3-31% zastosowanie ciągadeł o kącie ciągnienia 6°-8°, a także podwójnej operacji skórowania w trakcie procesu ciągnienia odlanych prętów przy średnicy 6,58 mm oraz przy średnicy 5,98 mm i jednej pośredniej operacji ciągnienia po pierwszym skórowaniu do średnicy 6,1 mm skutkuje uzyskaniem odpowiedniego poziomu własności sprężysto-plastycznych drutu definiujących możliwość bezproblemowego wprowadzania drutu pomiędzy rolki układu podawania drukarki 3D WAAM i ciągłego prowadzenia procesu drukowania.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania drutów ze stopów miedzi Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti charakteryzujący się tym, że odlewanie stopu o zawartości Ni (11-12% mas.), Fe (0,7- 2% mas.), Mn (1-1,5% mas.), Si (0,6-1% mas.), Ti (0,001-0,5% mas.) prowadzi się z prędkością odlewania 85-813 mm/min z jednoczesnym pierwszym chłodzeniem w krystalizatorze zachowując temperaturę wody na wyjściu z chłodnicy krystalizatora w zakresie 50-77°C, po czym następuje chłodzenie wtórne oddalone o 15-70 cm od wyjścia pasma z krystalizatora, przy czym dla stopu o zawartości Si (0,8-1% mas.) i Ti (0,002-0,5% mas.) wewnątrz krystalizatora stosuje się tuleję wykonaną z azotku boru w gatunku BN+SiC+ZrO2, po czym po procesie odlewania prowadzi się wygrzewanie w temperaturze 950-1000°C w czasie 3-5 godzin bez atmosfery ochronnej, a następnie natychmiastowo chłodzi się w wodzie, po czym dla każdego stopu wytworzony pręt ciągnie się do średnicy 1 mm a w trakcie ciągnienia przeprowadza się operacje skórowania: pierwszą przy średnicy 6,58 mm. drugą przy średnicy 5,98 mm z pośrednią operacją ciągnienia do średnicy 6,1 mm. Odlany stop w postaci pręta poddaje się procesowi ciągnienia ciągadłami o kącie ciągnienia 6°-8°.

Dla stopu o zawartości Si (0,6-0,8% mas.) oraz Ti (0,001-0,002% mas.) korzystnie prowadzi się wygrzewanie w temperaturze 950-1000°C w czasie 3-5 godzin bez atmosfery ochronnej, a następnie natychmiastowo chłodzi się w wodzie.

Wynalazek został ujawniony w poniższych przykładach realizacji.

Przykład 1 - wytwarzanie drutów ze stopu CuNi11Fe2Mn1Si0,7Ti0,001

W otwartym piecu indukcyjnym, w grafitowym tyglu pod pokryciem wysuszonego węgla drzewnego oraz z zastosowaniem nadmuchu argonu z przepływem 6-10 l/min w zamkniętej na czas topienia komorze topielnej przygotowuje się stop wstępny do topienia i odlewania ciągłego. Kąpiel metaliczną przygotowuje się z kawałków katody Cu-ETP oraz niklu elektrolitycznego. Topienie prowadzi się aż do uzyskania ciekłej kąpieli o temperaturze 1250°C, a następnie obniża moc pieca i kontroluje się jej temperaturę za pomocą stykowego czujnika termoelektrycznego. Po osiągnięciu zadanej temperatury wyłącza się piec na czas wtapiania i przeprowadza się dodawanie pozostałych składników stopu do utworzonej kąpieli metalicznej naważonymi porcjami stopów wstępnych wg następującej kolejności: stop Cu-Fe, Cu-Mn, Cu-Ti, Cu-Si. Po wtopieniu każdego składnika stopowego kąpiel metaliczną miesza się wygrzanym uprzednio prętem grafitowym i uruchamia ponownie piec w celu wyrobienia kąpieli metalicznej. Po wtopieniu ostatniego składnika stop odlewany jest z temperatury w zakresie 1250-1300°C do wygrzanej palnikiem gazowym żeliwnej wlewnicy wysmarowanej sadzą. Odlany stop wybijany jest z wlewnicy żeliwnej i przekazywany do procesu topienia i odlewania na poziomej linii do odlewania ciągłego. Po roztopieniu przygotowanego stopu pod pokryciem wysuszonego węgla drzewnego oraz pod nadmuchem argonu z przepływem 6-10 l/min, kąpiel metaliczną wygrzewa się do temperatury w zakresie 1250-1300°C, a następnie uruchamia proces odlewania ciągłego na krystalizatorze grafitowym wykonanym z grafitu izostatycznie prasowanego, stosując prędkość odlewania 625 mm/min, skok odlewanego pasma 14 mm, brak postoju pasma, skok wsteczny pasma - 1 mm oraz przepływ wody o wejściowej temperaturze 27°C w pierwotnym układzie chłodzenia krystalizatora na poziomie 0,6-0,63 l/min. W trakcie odlewania kontroluje się przepływ wody w pierwotnym układzie chłodzenia, tak aby temperatura wody na wyjściu z chłodnicy krystalizatora zawierała się w zakresie 72-73°C. W trakcie procesu odlewania stosuje się chłodzenie wtórne oddalone o 70 cm od wyjścia pasma z krystalizatora, kontroluje parametry i utrzymuję temperaturę powierzchni pręta po wyjściu z krystalizatora na poziomie 230-270°C. Odlewany pręt o średnicy 8 mm zwija się na bęben o średnicy 70 cm. Odlewane pręty charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie 495-527 MPa, wydłużeniem A50 na poziomie 17-24,5% i twardością 145-164 HV10. Proces ciągnienia odlanych prętów ze średnicy 8 mm do 6,65 mm realizowany jest na ciągarce bębnowej z jednostkowym odkształceniem 7-15% z zastosowaniem ciągadeł o kącie ciągnienia 6° i środkiem smarnym w postaci płatków stałego mydła sodowego. Po wstępnym ciągnieniu usuwana jest warstwa wierzchnia w celu eliminacji powierzchniowych wad odlewniczych w podwójnej operacji skórowania podczas ciągnienia przy średnicy 6,58 mm oraz przy średnicy 5,98 mm z uwzględnieniem jednej pośredniej operacji ciągnienia po pierwszym skórowaniu do średnicy 6,1 mm na ciągarce bębnowej przy zastosowaniu środka smarnego podawanego na ciągadło skórujące w postaci emulsji wodno-olejowej. Następnie drut ciągniony jest ze średnicy 5,35 mm do średnicy 2,05 mm z jednostkowym odkształceniem względnym 17-25% na ciągarce bębnowej przy zastosowaniu ciągadeł o kącie ciągnienia 6° oraz środka smarnego w postaci płatków stałego mydła sodowego przy uwzględnieniu dwóch operacji czyszczenia powierzchni papierem ściernym o gradacji

180# umieszczonego w uchwytach linii do podawania drutu przy średnicach 3,75 mm i 2,35 mm. Ciągnienie drutu ze średnicy 2,05 mm do finalnej średnicy 1 mm odbywa się w pojedynczych przepustach na wielociągu zanurzonym w kąpieli emulsji wodno-olejowej z zastosowaniem jednostkowego odkształcenia względnego w zakresie od 15 do 26% i ciągadeł o kącie ciągnienia 6°. Po procesie ciągnienia drut o średnicy 1 mm poddawany jest czyszczeniu w myjce ultradźwiękowej w płynie ultradźwiękowym w temperaturze 40°C w czasie 35 minut z zastosowaniem 100% mocy myjki ultradźwiękowej, a następnie w 10% roztworze alkoholu izopropylowego w wodzie w czasie 10 minut w temperaturze otoczenia przy zastosowaniu mocy 100% myjki ultradźwiękowej. Następnie drut poddawany jest suszeniu w strumieniu ciepłego powietrza w czasie 60 minut oraz nawijaniu na szpule o średnicy 300 mm i masie 16 kg. Na nawinięty drut nakłada się papier/folię zabezpieczającą przed działaniem wilgoci. Wytworzone druty charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie na poziomie 915-948 MPa oraz wydłużeniem A50 na poziomie 1-1,5%.

Przykład 2 - wytwarzanie drutów ze stopu CuNi11Fe2Mn1Si0,8Ti0,04

W otwartym piecu indukcyjnym w grafitowym tyglu pod pokryciem wysuszonego węgla drzewnego oraz z zastosowaniem nadmuchu argonu z przepływem 6-10 l/min w zamkniętej na czas topienia komorze topielnej przygotowuje się stop wstępny do topienia i odlewania ciągłego. Kąpiel metaliczną przygotowuje się z kawałków katody Cu-ETP oraz niklu elektrolitycznego. Topienie prowadzi się aż do uzyskania ciekłej kąpieli o temperaturze 1250°C, a następnie obniża moc pieca i kontroluje się jej temperaturę za pomocą stykowego czujnika termoelektrycznego. Po osiągnięciu zadanej temperatury wyłącza się piec na czas wtapiania i przeprowadza się dodawanie pozostałych składników stopu do utworzonej kąpieli metalicznej naważonymi porcjami stopów wstępnych wg następującej kolejności: stop Cu-Fe, Cu-Mn, Cu-Ti, Cu-Si. Po wtopieniu każdego składnika kąpiel metaliczną miesza się wygrzanym uprzednio prętem grafitowymi i uruchamia ponownie piec w celu wyrobienia kąpieli. Po wtopieniu ostatniego składnika stop odlewany jest z temperatury w zakresie 1250-1300°C do wygrzanej palnikiem gazowym żeliwnej wlewnicy wysmarowanej sadzą. Odlany stop wybijany jest z wlewnicy żeliwnej i przekazywany do procesu topienia i odlewania na poziomej linii do odlewania ciągłego. Po roztopieniu przygotowanego stopu pod pokryciem wysuszonego węgla drzewnego i pod nadmuchem argonu z przepływem 6-10 l/min, kąpiel metaliczną wygrzewa się do temperatury w zakresie 1280-1320°C, a następnie uruchamia proces odlewania ciągłego na krystalizatorze grafitowym wykonanego z grafitu izostatycznie prasowanego z umieszczoną wewnątrz kanału krystalizatora tuleją wykonaną z azotku boru w gatunku BN+SiC+ZrO2, stosując prędkość odlewania 115 mm/min skok odlewanego pasma 4 mm, postój pasma 1,5 s, brak skoku wstecznego pasma oraz przepływ wody o wejściowej temperaturze 20°C w pierwotnym układzie chłodzenia krystalizatora na poziomie 0,48-0,54 l/min. W trakcie odlewania kontroluje się przepływ wody w pierwotnym układzie chłodzenia: tak aby temperatura wody na wyjściu z chłodnicy krystalizatora zawierała się w zakresie 58-60°C. W trakcie procesu odlewania stosuje się chłodzenie wtórne oddalone o około 15 cm od wyjścia pasma z krystalizatora, kontroluje parametry i utrzymuje temperaturę powierzchni pręta po wyjściu z krystalizatora na poziomie 230-250°C. Odlewane pręty o średnicy 8 mm poddaje się cięciu na odcinki, a następnie tworzy się pakiety z odcinków i poddaje obróbce cieplnej, która polega na wygrzewaniu odlanych prętów w piecu oporowym w temperaturze 980°C w czasie 3 godzin bez oddziaływania atmosfery ochronnej, a następnie szybkim chłodzeniu w wodzie, co powoduje przesycenie materiału, wzrost własności plastycznych oraz usunięcie warstwy tlenkowej, a co za tym idzie brak konieczności stosowania operacji trawienia powierzchni. Pręty odlane charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie na poziomie 450-472 MPa oraz wydłużeniem A50 na poziomie 1-3%, natomiast po przeprowadzeniu obróbki cieplnej charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie 593-639 MPa oraz wydłużeniem A50 na poziomie 16,7-25,1%. Odcinki prętów po obróbce cieplnej poddaje się w pierwszej kolejności procesowi ciągnienia wstępnego na ciągarce ławowej ze średnicy 8 mm do średnicy 6,65 mm z jednostkowym odkształceniem względnym 3-17% na ciągadłach o kącie ciągnienia 6° z zastosowaniem środka smarnego w postaci emulsji wodno-olejowej. Następnie pręty poddawane są operacji skórowania w trakcie procesu ciągnienia na ciągadłach skórujących w celu usunięcia powierzchniowych wad odlewniczych i zubożonej powierzchniowej warstwy w składniki stopowe przy średnicy 6,58 mm oraz przy średnicy 5,98 mm z uwzględnieniem pośredniej operacji ciągnienia po pierwszym skórowaniu do średnicy 6,1 mm na ciągarce bębnowej przy zastosowaniu środka smarnego podawanego na ciągadło skórujące w postaci emulsji wodno-olejowej. Po procesie skórowania odcinki prętów ciągnione są ze średnicy 5,98 mm do średnicy 4,2 mm na ciągarce bębnowej z jednostkowym odkształceniem względnym 5-22% na ciągadłach o kącie ciągnienia 6° z zastosowaniem środka smarnego w postaci emulsji wodno-olejowej. Następnie końcówki odcinków drutów poddaje się cięciu na długości minimalnej 20 cm i maksymalnej 40 cm i łączy się w jeden odcinek wykorzystując zgrzewarkę doczołową. Drut o średnicy 4,2 ram poddaje się procesowi ciągnienia do średnicy 1,85 mm na ciągarce bębnowej z jednostkowym odkształceniem względnym 18-31% na ciągadłach o kącie ciągnienia 6° z zastosowaniem środka smarnego w postaci emulsji wodno-olejowej. Następnie drut ciągniony jest ze średnicy 1,85 mm do średnicy 1 mm na w pojedynczych przepustach na wielociągu zanurzonym w kąpieli emulsji wodno-olejowej z zastosowaniem jednostkowego odkształcenia względnego w zakresie od 15 do 26% i ciągadeł o kącie ciągnienia 6°. Po procesie ciągnienia drut o średnicy 1 mm poddawany jest czyszczeniu w myjce ultradźwiękowej w płynie ultradźwiękowym w temperaturze 40°C w czasie 35 minut z zastosowaniem 100% mocy myjki ultradźwiękowej, a następnie w 10% roztworze alkoholu izopropylowego w wodzie w czasie 10 minut w temperaturze otoczenia przy zastosowaniu mocy 100% myjki ultradźwiękowej. Następnie drut poddawany jest suszeniu w strumieniu ciepłego powietrza przez 60 minut oraz nawijaniu na szpule o średnicy 300 mm i masie 16 kg. Na nawinięty drut nakłada się papier/folię zabezpieczającą przed działaniem wilgoci. Wytworzony drut charakteryzuje się średnią wytrzymałością na rozciąganie na poziomie 960-1014 MPa oraz średnim wydłużeniem A50 na poziomie 1-1,3%.

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania drutów ze stopów miedzi Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti znamienny tym, że odlewanie stopu o zawartości Ni (11-12% mas.), Fe (0,7-2% mas.), Mn (1-1,5% mas.), Si(0,6-1% mas.), Ti (0,001-0,5% mas.) prowadzi się z prędkością odlewania 85-813 mm/min z jednoczesnym pierwszym chłodzeniem w krystalizatorze zachowując temperaturę wody na wyjściu z chłodnicy krystalizatora w zakresie 50-77°C, po czym następuje chłodzenie wtórne oddalone o 15-70 cm od wyjścia pasma z krystalizatora, przy czym dla stopu o zawartości Si (0,8-1% mas.) i Ti (0,002-0,5% mas.) wewnątrz krystalizatora stosuje się tuleję wykonaną z azotku boru w gatunku BN+SiC+ZrO2, po czym po procesie odlewania prowadzi się wygrzewanie w temperaturze 950-1000°C w czasie 3-5 godzin bez atmosfery ochronnej, a następnie natychmiastowo chłodzi się w wodzie, po czym dla każdego stopu wytworzony pręt ciągnie się do średnicy 1 mm a w trakcie ciągnienia przeprowadza się operacje skórowania: pierwszą przy średnicy 6,58 mm, drugą przy średnicy 5,98 mm z pośrednią operacją ciągnienia do średnicy 6,1 mm.

2. Sposób wytwarzania drutów ze stopów miedzi Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti według zastrzeżenia 1 znamienny tym, że odlany stop w postaci pręta poddaje się procesowa ciągnienia ciągadłami o kącie ciągnienia 6°-8°.

3. Sposób wytwarzania drutów ze stopów miedzi Cu-Ni-Fe-Mn-Si-Ti według zastrz. 1 znamienny tym, że dla stopu o zawartości Si (0,6-0,8% mas.) oraz Ti (0,001-0,002% mas.), korzystnie powadzi się wygrzewanie w temperaturze 950-1000°C w czasie 3-5 godzin bez atmosfery ochronnej, a następnie natychmiastowo chłodzi się w wodzie.