PT96367A

PT96367A - Liga aperfeicoada de cobre-niquel-silicone-cromio e processo para a sua preparacao

Info

Publication number: PT96367A
Application number: PT96367A
Authority: PT
Original assignee: Ampco Metal Mfg
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1991-10-15
Also published as: KR910012312A; FI906291A0; CA2032993A1; US5028391A; JPH04247839A; FI906291A; EP0436364A1; TW215459B

Description

"LIGA APERFEIÇOADA DE COBRE-NIQUEL-SILICONE-CROMIO E PROCESSO PARA A SUA PREPARAÇAO» para que AMPCO METAL MANUFACTURING INC., pretende obter privilégio de invenção em Portugal.

Verifica-se na indústria uma procura contínua de uma liga que possua a combinação de elevada dureza e elevada condutividade eléctrica. Estas duas propriedades são incongruentes, uma vez que a elevada dureza é normalmente conseguida ligando o metal puro com um ou mais elementos de liga. São bem conhecidas as ligas à base de cobre endurecidas por cura ou por precipiatção. A Patente dos E.U.A. Nfi. 1.658.186 descreve o fenómeno de endurecimento por precipitação em ligas à base de cobre. Mais especificamenente, a Patente Ns. 1.685.186 descreve uma liga de cobre contendo silicone e um ou mais de um grupo de elementos de formação de silicietos, tais como crómio, cobalto e níquel. A maior dureza é conseguida por meio de um tratamento por calor que consiste em aquecer a liga até uma temperatura de solução, em seguida arrefecê-la para manter a massa dos elementos de liga em solução sólida e, em seguida, curar a liga para precipitar silicietos metálicos, o que tem como consequência um aumento D-404 -1-/. em dureza e um aumento em condutividade eléctrica. A Patente dos E.U.A. NE. 4.260.435, descreve uma liga à base de cobre endurecida por precipitação, que é um aperfeiçoamento da liga descrita na Patente N8. 1.658.186. A liga é composta por 2,0 a 3,0% de níquel e/ou cobalto, 0,4 a 0,8% de silicone, 0,1 a 0,5% de crómio e pelo cobre de equilíbrio. 0 silicone, tal como se descreveu na Patente Na. 4.260.435, é utilizado numa quantidade ligeiramente superior do que a quantidade estequiométrica necessária para formar silicietos do níquel, removendo assim o níquel da solução e deixando o excesso de silicone. O crómio é utilizado numa quantidade ligeiramente maior do que a quantidade necessária para formar silicieto de crómio com o excesso de silicone. Por causa da baixa solubilidade do crómio em cobre, o crómio em excesso será precipitado por um segundo tratamento de cura.

Com o duplo tratamento por cura e com as reacções químicas, tal como se descreveu na Patente 4.260.435, obtem-se uma liga tratada por calor que possui uma dureza superior a 90 Rockwell Be, ao mesmo tempo, uma condutividade eléctrica de mais de 45% relativamente ao cobre puro.

As ligas à base de cobre possuem propriedades desejáveis para utilização como componentes em matrizes de moldagem por sopro, matrizes de moldagem por injecção, matrizes compósitas reforçadas ou matrizes de extrusão para a indústria plástica. -3- D-404

As ligas à base de cobre têm baixos custos no seu trabalho em máquinas e oferecem excelente características de difusidade, assegurando uma melhor reprodução da matriz e reduzindo a contracção no posto de matriz e o arqueamento do núcleo. No entanto, tem-se feito sentir a necessidade de uma liga à base de cobre, livre de berílio, que possua uma dureza maior, superior a 30 Rockwell C, mas que mantenha uma boa condutividade eléctrica. 0 objecto do invento é uma liga forjada ou vazada de cobre--níquel-silicone-crómio que possui elevada dureza e elevada condutividade e tem uma particular utilização como um componente em matrizes de injecção, moldagem por sopro ou por extrusão, para a indústria plástica.

Em geral a liga é constituída por 9,5 a 11,5% de níquel, silicone numa quantidade suficiente para proporcionar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,5, 0,5 a 2,0% de crómio e o cobre de equlíbrio. Com esta proporção específica de níquel/silicone consegue-se uma dureza superior a 30 Rockwell C e uma condutividade eléctrica superior em 24% relativamente ao cobre puro, através de um tratamento de endurecimento por precipitação. No tratamento por calor, a liga é inicialmente aquecida até uma elevada temperatura de solulão situada entre 8712C (1600aF) e 1010aC (1850aF), arrefecida e, em seguida, endurecida por cura a uma temperatura situada entre 343aC (650aF) e 565,5ac (1050aF).

Como tratamento alternado por calor, a solução arrefecida da liga é curada a uma temperatura situada entre 482,22C (9008F) e 537,7aC (lOOOfiF), sendo a seguir arrefecida lentamente a um ritmo de 53,7aC (100aF) a 93,3aC (200aF) por hora até atingir 343,3aC (6502F). Este tratamento alternado por calor pode aumentar a condutividade eléctrica para um valor superior ao obtido através de um tratamento de cura a uma única temperatura e proporciona um pegueno aumento na dureza.

Seria normalmente de esperar que um aumento substancial no teor de níquel e de silicone numa liga de silicone de cobre-níquel, resultasse num aumento da dureza, mas seria também de esperar que o aumento em níquel e silicone produzisse uma enorme diminuição na condutividade eléctrica. Verificou-se, no entanto, que mantendo as características químicas da liga dentro das gamas referidas e mantendo a proporção de níquel/silicone na gama correcta, pode obter-se uma elevada dureza sem a correspondente grande diminuição em condutividade. A liga de acordo com o presente invento tem particular utilização como material de matriz para a moldagem ou extrusão de partes plásticas. 0 aumento em dureza permite que a liga suporte as elevadas pressões de união sem distorsão e resista à erosão provocada pelo material plástico, particularmente quamdo o plástico possa conter aparas de material fibroso. -5- D-404 A liga de acordo com o presente invento oferece excelente difusidade térmica, o que constitui uma medida da condutividade térmica, calor especifico e densidade da liga. A elevada difusidade térmica permite que a liga, quando usada como um componente de matriz, "absorva" o calor e reduza o tempo de arrefecimento, diminuindo assim o tempo de ciclo para as operações de vazamento e formação de molde.

Se bem que a liga tenha uma particular utilização como um componente para uma matriz, pode ser também utilizada para rails e cavilhas de guiamento, anilhas, chapas de trabalho, cavilhas de ejecção, cremalheiras e semelhantes.

Outros objectos e vantagens ressaltarão no decorrer da descrição que se segue.

Os desenhos ilustram a melhor maneira, presentemente contemplada de levar a cabo o presente invento.

Nos desenhos: A Figura 1 é um gráfico de comparação da dureza da liga em Rockwell C com variações na proporção de níquel/silicone; e A igura 2 é um gráfico de comparação da condutividade eléctrica da liga com variações na proporção de níquel/silicone. A liga de acordo com o presente invento que tanto pode ser forjada como vazada, tem a seguinte composição em percentagem por peso: Níquel e/ou Cobalto 8,5 a 11,5%

Silicone numa quantidade suficiente para dar uma proporção de níquel/silicone de 3,4 para 4,5

Crómio 0,50 a 2,00%

Cobre Equilíbrio

Tendo em vista proporcionar óptimas dureza e condutividade eléctrica, a proporção de níquel/silicone deve ser mantida dentro dos limites correctos. A proporção de níquel/silicone deve estar presente na gama acima referida e, de preferência, situar-se na gama de 3,8 a 4,2. A liga pode também imcluir até cerca de 0,5% por peso de um elemento, tal como zircónio, magnésio, estanho, alumínio, zinco e semelhante. Uma pequena quantidade de zircónio pode ter a vantagem de melhorar a ductilidade da liga a elevada temperatura. -Ί D-404 Α Liga é tratada por calor, aquecendo-a inicialmente até uma temperatura elevada situada entre 871SC (16008F) a 1010SC (1850aF) durante 1 a 2 horas para assegurar a máxima solubilidade dos elementos da liga. A liga é arrefecida, de prefeência em água, para se obter uma solução sólida dos elementos de liga à temperatura ambiente. A liga é endurecida por cura, aquecendo novamente até uma temperatura situada entre 343,3=0 (650=F) e 565,5=0 (1050=F) durante um período de cerca de 1 a 5 horas e, de preferência, durante um período de 3 horas. Durante o tratamento de cura, os silicietos metálicos precipitara na forma de partículas submicroscópicas, que aumentam a dureza da liga para um valor superior em 30 Rckwell C, enquanto a condutividade eléctrica é conservada num valor superior em 24% relativamente ao cobre puro e, de preferência, na gama de 26 a 28%.

Em alternativa, a solução arrefecida de liga pode ser curada a uma temperatura situada entre 482,2=0 (900=F) e 537,7=0 (1000=F) durante 1 a 3 horas e arrefecida a um ritmo de 53,7=0 (100=F) a 93,3=0 (200=F) por hora, até atingir 343,3=0 (650=F). 0 tratamento de cura por calor com arrefecimento lento, aumenta significativamente a condutividade eléctrica da liga para valores superiores aos que se obtiveram através de cura por temperatura única e proporciona um pequeno aumento em dureza. A liga, quando tratada por calor, possui uma condutividade -8- D-404 térmica de mais de 100/watts/metro/°K, uma resistência à tensão na gama de 125.000 a 140.000 psi, 0,2% de resistência de rendimento de 110.000 a 120.000 psi e um alongamento de 5 a 15%. A Figura 1 ilustra a relação de variações entre a proporção de níquel/silicone e a dureza, enquanto que a Figura 2 ilustra a relação de variações entre a proporção de níquel/silicone e a condutividade eléctrica.

Fazendo referência às Figuras 1 e 2, a curva com a indicação A é uma liga de cobre-níquel-silicone-crómio contendo 10% de níquel, 1,5% de crómio em que fez variar o silicone em diferentes aquecimentos para dar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,5. A curva B representa uma liga de cobre-níquel-silicone-crómio contendo 8,5% de níquel, 1,6% de crómio e em que se fez variar o teor de silicone em diferentes aquecimentos para dar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,3. A Curva C representa uma liga contendo 11,2% de níquel, 1,65% de crómio e em que novamente se fez variar o teor de silicone em diferentes aquecimentos para dar uma proporção de níquel/silicone entre 3,5 a 4,5.

Cada liga A-C foi tratada por calor aquecendo-a até uma -9 D-404 temperatura de solução de 954,4aC (1750SF) e a liga foi mantida a esta temperatura durante 1 hora. A liga foi, em seguida, arrefecida e subseguentemente curada a uma temperatura de 468,3BC (875aF) durante um período de 3 horas.

Como se pode ver pela Figura 1, as ligas A, B e C possuem, cada uma, uma dureza superior a 32 Rockwell C guando a proporção de níguel silicone é mantida na gama de 3,6 para 4.1. Quando a proporção aumenta para mais de 4,1, a dureza de ambas as ligas A e C diminui significativamente.

Relativamente à condutividade eléctrica, tal como ilustrado na Figura 2, as ligas A e B mostram uma condutividade superior em 27% com uma proporção de níguel/silicone de 3,8 para 4,1. Quando a proporção diminui para menos de 3,8, a condutividade desce rapidamente. A liga C tem uma condutividade eléctrica superior a 25% com uma proporção de níguel/silicone de aproximadamente 3,8 para 4.1. Quando a proporção cai fora desta gama, a condutividade volta a descer. A curva D é um compósito de valores de condutividade eléctrica das três ligas A, B e C gue foram sujeitas a tratamentos por calor alternados. Neste tratamento a liga vazada foi inicialmente aguecida até 982,2aC (18002F) e mantida a esta temperatura durante 1 hora. A liga foi então -10- D-404 arrefecida e subsequentemente curada a 510aC (950aF) durante 1,5 horas, seguindo-se um arrefecimento lento a um ritmo de 93,3aC (200aF) por hora até 343,3BC (650aF). A curva assinalada por D mostra que a condutividade eléctrica das três ligas A, B e C foi substancialmente aumentada enquanto os valores de dureza, tal como representado na Figura 1, não foram significativamente afectados. Mais particularmente, o tratamento por calor alternado aumentou a condutividade das três ligas para um valor acima de 30% a uma proporção de níquel/silicone de cerca de 3,7 para 4,5.

Através dos dados ilustrados nas Figuras l e 2, pode observar-se que uma proporção de níquel/silicone na gama de 3,4 para 4,5 proporcionou, inesperadamente, óptima dureza, assim como uma boa condutividade eléctrica. Quando a proporção de níquel/silicone se afasta desta gama, a dureza e a condutividade decrescem significativamente. A liga de acordo com o presente invento tem uma aplicação particular como um componente de matriz para moldagem por sopro, moldagem por injecção, moldagem compósita e extrusão de materiais plásticos. Devido à alta difusidade, é assegurada uma maior igualização do calor do componente de matriz, que resulta numa diminuição no tempo de arrefecimento.

Uma vez que a liga possui uma dureza superior a 30 Rockwell -11- D-404 C, é capaz de suportar as elevadas pressões de união durante a operação de vazamento de matriz, sem distorsão. Além disso, a elevada dureza resiste à erosão provocada pelo material plástico e esta é uma particular preocupação quando o material plástico inclui pedaços de substâncias fibrosas.

Podem contemplar-se várias formas de realização do presente invento sem se sair do âmbito das reivindicações que se seguem e que indicam claramente o objecto do presente invento.

Lisboa, 26 de Dezembro de 1990

PELA REQUERENTE

Claims

-12- D-404 -REIVINDICAÇOES- 1*. - Liga à base de cobre, caracterizada por ser constituída essencialmente por 9,5 a 11,5% em peso de níquel, silicone numa quantidade suficiente para proporcionar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,5, 0,50 a 2,00% de crómio e o cobre de equlíbrio, possuindo a referida liga uma dureza superior a 30 Rockwell C e uma condutividade eléctrica superior em 24% relativamente ao cobre puro.
2*. - Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a referida liga incluir também até 0,5% em peso de um elemento escolhido do grupo que consiste em zircónio, magnésio, estanho, zinco, alumínio e suas misturas.
3*. - Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o cobalto ser substituído, pelo menos, por uma porção do referido níquel.
4* - Liga de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a referida liga possuir uma proporção de níquel/silicone na gama de 3,8 a 4,2.
5*. - Processo para a preparação de uma liga à base de cobre, caracterizada por compreender as fases de preparação de uma liga que é essencialmente constituída por 9,5 a 11,5% em peso -13- D-404 de níquel, silicone numa quantidade suficiente para proporcionar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,5, 0,50 a 2,00% de crómio, e o cobre de equilíbrio, aquecimento da liga até uma temperatura de solução, arrefecimento da liga, reaquecimento da liga até uma temperatura de cura situada entre 482eC (900® F) a 537 ®C (1000®F) e, em seguida arrefecimento lento da liga para uma temperatura de 343=C (650=F) num ritmo de 53,7®C (100®F) a 93®C (200®F) por hora, proporcionando desse modo uma liga tratada por calor que possui uma dureza superior a 30 Rockwell C e uma condutividade eléctrica superior em 24% relativamente ao cobre puro.
6». - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a referida temperatura de solução se situar na gama compreendida entre 871=C (1600=F) e 1.010®C (1850®F).
7*. - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender a fase de manutenção da liga à referida temperatura de solução durante um período de 1 a 5 horas.
8*. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender a fase de manutenção da temperatura de cura durante um período de 1 a 3 horas. 9*. - Liga à base de cobre, constituída essencialmente por D-404 -14-
9,5 a 11,5% em peso de níquel, silicone numa quantidade suficiente para proporcionar uma proporção de níquel/silicone entre 3,4 a 4,5, 0,50 a 2,00% de crómio e o cobre de equilíbrio, possuindo a referida liga uma dureza superior a 30 Rockwell C e uma condutividade eléctrica superior em 24% relativamente ao cobre puro, caracterizada por a referida liga ser produzida aquecendo-a até uma temperatura de solução, ser arrefecida, ser reaquecida até uma temperatura de cura entre 482aC (900® F) a 537aC (1000aF), e ser, a seguir, arrefecida lentamente até uma temperatura inferior a 343aC (650aF) num ritmo de 53,7aC (100aF) a 93aC (200aF) por hora.