SE430516B - Sett att tillverka en produkt av en finkornig cu-ni-sn-legering - Google Patents

Description

\_!'| 10 25 35 40 '7900504-7 Hardenable Copper-Nickel-Tin Alloy", The British Foundryman, pp 129-155 (april 1962) var huvudsakligen riktade på gjutningstill- och gav legeringar med måttlig hållfasthet och hög hård- tvecklingen har senare lett till Cu-Ni-Sn-legeringar med över- lämpningar het. lägsen hållfasthet också vid gjutning. Exempelvis, såsom anges i SE PA 7809939-7, som innehåller föreskrivna mängder Mo, Nb, Ta, V eller Fe och som kan formas som ett gjutgods, t ex vid tillverkning av höljen till överdragsförstärkare för undervattensbruk med hög hållfasthet.

Det anses allmänt att en likformig fin kornstruktur såsom t ex induceras genom varmbearbetning av en legering bidrar till en god brottseghet i legeringen. Det anses på liknande sätt att en sådan likformig fin struktur är önskvärd i gjutgods och smidesgods, dvs tillverkningar som ej behöver omfatta en likformig varmdeforme- ring av legeringen.

Uppfínningen avser ett sätt att behandla Cu-Ni-Sn-legeringar så att en likformig fin struktur induceras, vilken är fördelaktig t ex för bildande av en god brottseghet. Metoden kräver en värme- behandling av legeringen och omfattar ej mekanisk deformering. Vär- mebehandlingen omfattar steg i följdsom kan betecknas som partiell homogenisering, dískontinuerlig åldring, och fullständig homogeni- sering, varvid varje steg kräver att legeringen hålles vid en före- skriven temperaturnivå under en föreskriven tidsperiod. Sättet är speciellt effektivt då legeríngen, förutom Cu, Ni och Sn, innehåller specificerade små mängder av en fjärde metall, såsom Mc, Nb, Ta, V, Zr eller Cr.

Det nya sättet att tillverka finkorniga Cu-Ni-Sn-legeringar kräver en värmebehandling som lätt beskrives under hänvisning till kritiska temperaturer och tidsperioder som beror på legeringens sam- mansättning. Enligt sättet bibehålles en legering vid tre tempera- turnivåer under specificerade tidsperioder.

En första temperaturnivå.kan specificeras med hjälp av lege- ringens sålkallade ,jämviktsgräns, dvs den temperatur vid vilken det finns en termodynamisk jämvikt mellan en homogen u-enfas och en homogen d+y-dubbelfas. En andra, lägre temperatur kan specificeras under hänvisning till en temperatur som omväxlande är känd som den metastabila gränsen, sammanhängande gränsen eller återgångstem- peraturen för en legering. Denna sistnämnda temperatur kan karak- täriseras och bestämmas experimentellt på ett flertal sätt, Så- som t ex anges i "Spinodal Decomposition in a Cu - 9 wt % 10 20 25 50 35 NO 7960501: *7 Ni - 6 wt % Sn Alloy" av L. H. Schwartz, S. Mahajan och J. T.

Plewes, Acta Metallurgica, volym 22, pp 601-609 (maj 197ü), "Spinodal Decompositíon in Cu - 9 wt % Ni - 6 wt % Sn - II. A Critical Examination of Mechanical Strength of Spinodal Alloys" av L. H. Schwartz och J. T. Plewes, Acta Metallurgica, volym 22, PP 911-921 (juli 1973), och "High Strength Cu-Ni-Sn Alloys by Thermomechanical Processing" av J. T. Plewes, Metallurgical Transactions A, volym 6A, pp 537-Süh (mars 1975). I detta samman- hang kan den metastabila gränsen för en legering karaktäriseras enligt följande: vid en temperatur under jämviktsgränsen men över den metastabila gränsen strävar en Cu~Ni-Sn-legering huvudsakli- gen mot en homogen d+v-fas som angivits ovan, vid en temperatur under den metastabila gränsen strävar en sådan legering slutligen mot en diskontinuerlig a+y-fas. En avsevärd utveckling av en så- dan diskontinuerlig fas äger rum efter en viss inkubationsperiod som beror på legeringens sammansättning och temperatur. En tredje högre temperatur kan specificeras under hänvisning till solidus för en legering, dvs den högsta temperatur vid vilken legeringen förekommer helt i fast tillstånd. Tabell 1, som är hämtad från den ovan angivna referensen av J. T. Plewes, visar värden för jämviktsgränsen och den metastabíla gränsen för att antal repre- sentativa legeringar.

Före tillämpningen av den nya värmebehandlingen har ett gjutgods eller en smidd kropp av en Cu-Ni-Sn-legering normalt en kärnstruktur vari en grov, oregelbunden u+y-struktur överväger.

Kornen har normalt en icke-likformig sammansättning och uppvisar celler som är rika på Cu och Ni och som är blandade med band- Ett första steg vid det nya sättet för kornraffinering består i att en sådan legering eller remsformade öar som är rika på Sn. hålles vid en första temperatur som ligger i närheten av legering~ ens jämviktsgräns. Speciellt bör en sådan första temperatur lämp- ligen ej ligga mer än 5000 under legeringens jämviktsgräns och företrädesvis ej mer än 50°C över jämviktsgränsen.

Syftet med ett sådant första steg är att partiellt homo- genisera legeringen genom en partiell överföring av Sn från Sn- rika öar till Cu-Ni-rika celler. En fullständig homogenisering förhindras emellertid så att Sn-rika öar som senare kan fungera som kärnbildningsområde för den diskontinuerliga transformatio- nen bibehålles. dan partiell homogenisering är H till 6 timmar då temperaturen Den tid som erfordras för att åstadkomma en så- \Il 10 15 30 DJ UI ' dukt. 7900504-7 under jämviktsgränsen och 0,5 till 1 timme då tempe- - Ä-_ -ut .n ränser och temperaturer är besläktade enligt ett Arrhenius-W 0'«l hållande som möjliggör bestämning av tidsgränser motsvarande mel- lanligg nde temperaturer genom linjär interpolering av logaritmen av tiden som en funktion av temperaturen. I ett snävare föredra- get temperaturområde av 0 till 3000 över jämviktsgränsen är en föredragen tid från 1 till 1,5 timmar.

Ett andra steg av sättet kräver snabb kylning eller alter- nativt störtkylning och återuppvärmning av legeringen till en andra temperatur i närheten av den metastabila gränsen för lege- ringen. En sådan andra temperatur bör lämpligen ej ligga mer än 7500 under legeringens metastabila gräns. En sådan andra tempera- tur bör också lämpligen ej ligga mer än 2500 över den metastabila gränsen. Det krävs att legeringen hålles vid en sådan andra tem- peratur under en tid som är väsentligt längre än inkubationsperio- den vid den diskontinuerliga transformationen. Vid en temperatur 7500 under den metastabila gränsen bör följaktligen en sådan tid ej vara kortare än 20 timmar och vid en temperatur 2500 över den metastabila gränsen ej kortare än 1 timme. Såsom angivits ovan i samband med den partiella homogeniseringen, hänger tidsgränser och temperaturer samman enligt ett Arrhenius-förhållande som på liknande sätt möjliggör bestämning av tidsgränser motsvarande mellanliggande temperaturer. I ett snävare, föredraget tempera- turcmråde av 5000 under den metastabila gränsen upp till den meta- stabila gränsen, är den föredragna undre tidsgränsen från 5 timmar till 1 timme. Längre tid är speciellt önskvärt vid behandling av skrymmande artiklar för åstadkommande av en väsentligen likformig diskontinuerlig transformation genom hela legeringen.

Förutom att vara beroende av temperaturen beror inkuba- ticnstiden i första hand på Sn-halten i legeringen, varvid högre Sn-halt ger en kortare inkubationstid. Exempelvis uppvisar le- geringar som innehåller 7 till 15 viktprocent Ni och 6 till 8 vikt- procent Sn, vid åldring i H timmar vid en temperatur i området H75 till 52500, en väsentligen diskontinuerlig transformationspro- Legeringar som innehåller liknande mängder Ni, men 8 till 10 viktprocent Sn, uppvisar också då de åldras i 3 timmar vid en temperatur i området H50 till 50000 en väsentligen diskontinuerlig transformationsprodukt. 10 15 RJ LVI 30 55 '79OÛ504-7 Som ett resultat av ett sådant andra steg, kärnbildas dis- kontinuerlig: en icke-sammanhängande d+Y-fas från Sn-rika öar, gränserna mellan faserna expanderar och sammansmälter slutligen med varandra under bildande av nya korngränser.

Ett tredje steg av sättet kräver bibehållande av legering- en vid en tredje temperatur som lämpligen bör ligga i området 70 till 25oC under legeringens solidus. Ett snävare, föredraget område är 60 till 7000 under denna solidus. En sådan temperatur bör lämpligen bibehållas i minst 1 timme så att en huvudsakligen homogenisering av den struktur som bildats i det andra steget uppnås. Slutligen kyles den erhållna homogeniserade finkorniga kroppen. Denna kylning, liksom kylning som erfordras mellan det första och det andra steget vid sättet, måste fortgå med en has- tighet som är tillräcklig för att bevara en väsentlig mängd av strukturen utvecklad i föregående steg av sättet. Även om vatten- släckning är lämpligt för detta ändamål kan kylningen fortgå lång- sammare, varvid den minsta erforderliga hastigheten beror på lege- ringens sammansättning. I allmänhet gäller för legeringar med en fast Ni-halt att den minsta hastigheten ökar med en minskande Sn-halt. För legeringar med en fast Sn-haltgäller omvänt att den minsta hastigheten ökar med ökande Ni-halt. En legering som innehåller 9 % Ni, 8 % Sn och en återstod av koppar kräver exem- pelvis att övergången från den första temperaturen till den andra temperaturen ej tar mer än cirka 30 sekunder. Denna övergång kan å andra sidan ta så lång tid som 10 minuter i en legering som in- nehåller 9 % Ni, 6 % Sn och en återstod av koppar. En tillsats av ett fjärde element till legeringen tenderar också att minska den minsta erforderliga kylningshastigheten bortsett från att tillsats av Fe tenderar att kräva en snabbare kylningshastighet. Den mins- ta hastigheten för en specifik legeringssammansättning kan bestäm- mas genom en isoresistivitetsavsättning såsom beskrives av L. H.

Schwartz, S. Mahajan och J. T. Plewes i Acta Metallurgica, volym 22, pp 601-609 (maj 197U) som angivits ovan.

Den ovan beskrivna värmebehandlingen kan utföras på en metallkropp som är formad som ett gjutgods, som varmbearbetats en- ligt US PS H 012 2R0 eller som varmbearbetats genom smide eller strängpressning. Behandlingen anses vara speciellt fördelaktig då den utföres på gjutgods och smidesgods, dvs artiklar som på grund av sin form eller volym är mindre benägna att bli föremål för en likformig varm#deformering. Behandlingen är speciellt för- UI 10 15 20 25 30 35 7900504 -7 delaktig också dä den utföres på artiklar som endast undergâr en egränsad kallbearbetning som t ex ej överstiger en ytreduktion V 15 %. ingssätt kan upparbetas ytterligare såsom genom spinodalåldring, Ü fl) En legeríng som upparbetats enligt detta kornraffine- 4 kallbearbetning följt av spinodalâldring, eller tvåfaldig kallbe- arbetning och spinodalåldring vilket kan vara lämpligt och önsk- värt beroende på tillämpningen.

Det beskrivna sättet kan med fördel tillämpas på kopparrika Cu-Ni-Sn-legeringar vari en aggregatmängd av minst 90 viktprocent består av Cu, Ni och Sn, varvid Ni-halten i denna aggregatmängd ligger i området 5-50 viktprocent och Sn-halten i omrâdet B-12 viktprocent. Ãterstående högst 10 viktprocent av legeringen kan utgöras av spädningsmedel såsom Fe, Mn och Zn, vars närvaro emel- lertid tenderar att förlänga inkubationstiden för den diskontinuer- liga transformationen och följaktligen kravet på en förlängd åld- Före- dragna övre gränser av enskilda spädningselement är 7 viktprocent ringstid i det andra steget av sättet enligt uppfinningen.

Fe, 5 viktprocent Mn och 10 viktprocent Zn. Föredragna övre grän- ser vad gäller förekomsten av föroreningar som kan finnas närva- rande i kommersiellt tillgängliga material är följande: 0,2 vikt- procent Co, 0,1 viktprocent Al, 0,01 viktprocent P och 0,05 vikt- procent Si. Tillsatser såsom Se, Te, Pb och MnS, som ökar lege- ringens maskinbearbetbarhet inverkar ej på den kornraffineringsbe- handling som finns beskriven i föreliggande ansökan och kan finnas närvarande i legeringen i en mängd upp till 0,5 viktprovent Se, 0,5 viktprocent Te, 0,2 viktprocent Pb och 2 viktprocent MnS.

Förekomsten av små mängder av ett fjärde element såsom Mo, Nb, Ta, V, Zr och Cr, rekommenderas för att öka effekten av det nya sättet. Sådana element är fördelaktiga i föredragna mängder av o,o2-o,1 viktproçent Mo, o,o5-o,35 vimzprqcent Nb, o,o2-o,3 vikt- procent Ta, 0,1-0,5 viktprocent V, 0,02-0,2 viktprocent Zr, samt, 0,05-0,5 viktprocent Cr. föres en diskontinuerlig åldring lämpligen under en utsträckt I närvaro av en sådan fjärde metall ut- tidsperiod. Speciellt är vid temperaturerna +25, O, -50 samt -7500 i förhållande till den metastabila gränsen, föredragna und- re gränser för åldringstiden 2, 3, 6 respektive 27 timmar.

I närvaro av ovan angivna metaller bör syrehalten i lege- ringen lämpligen hållas under 100 ppm för att minimera bildandet av eldfasta metalloxider. 10 20 25 790050174' Exempel 1 H '*::erc- Z' lll u: tt göt av en Cu-Ni-Sn-legering som innehåller 1 cent Ni och 8 viktprocent Sn sc lform Eš x var gjuten i en delad stå -7 ;..| vid en temperatur 10000 över iquiuus observerades ha en genom- snittlig kornstorlek av 6,35 mm. Götet upphettades till en förs- ta temperatur av 82500 och hölls vid denna första temperatur i 1 timme. Götet störtkyldes med vatten och återvärmdes till en andra temperatur av 50000 och hölls vid denna andra temperatur i 17 timmar. Slutligen återupphettades götet till en tredje tempe- ratur av 90000, hölls vid denna tredje temperatur i 1 timme och störtkyldes till rumstemperatur. 7,62 X 1072 mm kunde observeras i det behandlade götet.

Exempel 2 En genomsnittlig kornstorlek av Göt som innehöll 15 viktprocent Ni, 8 viktprocent Sn, 0,2 viktprocent Nb och en återstod av koppar behandlades enligt förfaranden som omfattade och icke omfattade den nya kornraffine- ringstekniken. Speciellt var en behandling som omfattade den nya çl' ekniken strängpressning av ett göt, bomogenisering, kornraffine- *S ing och åldring. En behandling som ej omfattade den nya tekni- I båda fal- len utfördes den slutliga åldringen i olika grad så att olika kom- ken var strängpressning, homogenisering och åldring. binationer av slutlig hållfasthet och brottseghet uppnåddes. Ta- bell Ilvisar brottsegheten mätt genom töjning till brott motsvarande hållfasthetsnivâer som mätte vid 0,0l sträekgräne- AV tabell :I framgår att, som resultat av kornraffineringen, en överlägsen brottseghet uppnås motsvarande specifika hållfasthetsnivåer.

TABELL I Legering Jämviktsgräns, OC Metastabil gräns, OC Cu-3,5Ni-2,5 Sn 617 360 Cu-5Ni~5Sn 692 H10 Cu-7Ni-SSn 770 H50 Cu-9li-6Sn 740 46U Cu-lO,5Ni-Ä,5Sn 751 ÅBO Cu-12Ni-8Sn 816 H90 Cu-1HNi-6Sn 780 N80 TABELL II Brottöjning, % Sträckgräns, N/m2 Utan kornraffinering Med kornraffinering 620.552.000 Ä lä 689.U80.000 1 758.U28.000 0,2

Claims (10)

1. 7900504-7 Patentkrav . 1. Sätt att tillverka en produkt som omfattar en finkornig kropp av en legering med en sammansättning av minst 90 viktprocent Cu, Ni och Sn, varvid Ni-halten ligger i området 5 till 30 vikt- procent och Sn-halten ligger i området Ä till 12 viktprocent av den totala mängden Cu, Ni och Sn, och upp till 10 viktprocent av kompositionen kan utgöras av andra eventuella, avsedda tillsatser med eller utan en mindre mängd föroreningar, vilket sätt omfattar minst följande steg, homogenisering av en kropp av en legering med dennasammansättning, kylning av den homogeniserade kroppen, samt åldring av den kylda kroppen, k ä n n e t e c k n a t av att dessa steg utföres i följande ordning: (1) partiell.homogenisering av en kropp av legeringen genom att kroppen hålles vid en första temperatur, som ligger i ett första temperaturområde av 5000 under till 5000 över jämviktsgrän- sen mellan en d-fas och en d+Y-fas av legeringen under en första tidsperiod som ligger i ett första tidsområde med en första undre tidsgräns och en första övre tidsgräns, varvid den första undre tidsgränsen och den första övre tidsgränsen står i ett förhållan- 'de till temperaturen enligt Arrhenius, varvid den första undre tidsgränsen är Ä timmar och den första övre tidsgränsen är 6 tim- mar då den första temperaturen är 50°C under jämviktsgränsen, och dfiï första undre tidsgränsen är 0,5 timme och den första övre tidsgränsen är 1_timme då den första temperaturen är 50°C över jämviktsgränsen; (2) kylning av kroppen med en hastighet som är tillräcklig för att i legeringen kvarhålla en avsevärd mängd av den struktur som utvecklats genom den partiella homogeniseringen av kroppen; (5) åldring av kroppen genom att legeringen hålles vid en andra temperatur som ligger i ett andra temperaturområde av 7500 under till 2500 över den metastabila gränsen av legeringen, vid en temperatur över den metastabila gränsen men under jämviktsgrän- sen kärnbildas d+y~fasen homogent medan vid en temperatur under den metastabila gränsen u+y-fasen kärnbildas diskontinuerligt, varvid åldringen utföres under en andra tidsperiod som är lika med eller större än en andra undre tidsgräns, varvid den andra undre tidsgränsen står i förhållande till den andra temperaturen enligt Arrhenius, och den andra undre tidsgränsen är 20 timmar då den andra temperaturen är 75°C under den metastabila gränsen och den andra undre tidsgränsen är 1 timme då den andra tempera- turen är 2500 över den metastabila gränsen; 9 790Û5Ûl§~7 (H) fullständig homogenisering av kroppen genom att lege- ringen hålles vid en tredje temperatur som ligger i ett tredje temperaturområde av 70 till 2506 under legeringenssolidus under je tidsperiod som är lika med eller större än 1 timme; och (E) kylning av legeringen med en hastighet som är tillräck- lig för att kvarhålla en avsevärd del av den struktur som utveck- lats vid den fullständiga homogeniseringen av kroppen.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den första temperaturen och tiden väljes så att den undre gränsen för det första temperaturområdet blir lika med jämviktsgränsen, den övre gränsen för det första temperaturområdet ligger BOOC över jämviktsgränsen, den första undre tidsgränsen är 1 timme, och den första övre tidsgränsen är 1,5 timmar. 5.

Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den andra temperaturen och tiden väljas så att den undre gränsen för det andra temperaturområdet ligger 5000 under den metastabila gränsen, den övre gränsen för den andra temperaturen är lika med C lmlfiâl” Q; \H en metastabila gränsen, den andra undre tidsgränsen är o Q; å den andra temperaturen är 50 C under den metastabila gränsen och den andra undre tidsgränsen är 1 timme då den andra tempera- turen är lika med den metastabila gränsen.

4. Sätt enligt krav 1, 2 eller 5, k ä n n e t e c k n a t av att den tredje temperaturen väljes i området 50 till HOOC under solidus för legeringen. E.

Sätt enligt något av kraven 1-U, k ä n n e t e c k n a t av att en kropp av en legering användes vars Ni-halt lämpligen ligger i området från T till 15 viktprocent, och den andra tempe- raturen väljes i området från #75 till 52500 då Sn-halten ligger i området 6 till 8 viktprocent, och i området från H50 till 53000 då Sn-halten ligger i området 8 till 10 viktprocent.

6. Sätt enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a_t av att kroppen deformeras efter kylning i en grad av mindre än 15 % reduktion.

7. Sätt enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k - n a t av att kroppen efter kylning eventuellt utsättes för spi- nodalåldring eller för kallbearbetning och spinodalåldríng.

8. Sätt enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att kallbearbetningen och spinodalåldringen utföres i ett duplexför- farande.

9. Sätt enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k - 7900504-'7 lÜ n a t av att minst en av de avsedda tillsatserna väljes bland minst ett spädnilgsmedel som utgöres av högst 7 viktprocent Fe, högst 5 viktprocent Mn, och högst 10 viktprocent Zn; minst en automattíllsats som utgöres av högst 0,5 viktprocent Se, högst 0,5 víktprocent Te, högst 0,2 viktprocent Pb, samt högst 2 vikt- procent MnS; minst en metalltillsats som utgöres av Mo i området 0,02-0,01 viktprocent, Nb i området 0,05-0,35 viktprocent, Ta i om- rådet 0,02-0,3 viktprocent, V i området 0,02-0,2 viktprocent, samt Cr i området 0,05-1,0 viktprocent; och minst en av högst 0,2 viktprocent Co, högst 0,1 viktprocent Al, högst 0,01 viktpro- cent P, och högst 0,05 viktprocent Si.

10. Sätt enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att då den ytterligare tillsatsen som är minst en utgöres av minst en av Mo, Nb, Ta, V eller Cr, den föredragna undre gränsen för den andra tidsperioden är 2, 3, 6 respektive 27 timmar vid en andra temperatur motsvarande +25, 0, -50 respektive -7500 i förhållande till den metastabila gränsen. 7900504-7 SAMNANDRAG Uppfinningen avser ett sätt att framställa en finkornig struktur i en Cu-Ni-Sn-legering genom en värmebehandling som krä- ver att legeringen hålles vid tre specificerade distinkta tempera- turnivâer under specificerade tidsperioder och omfattar partiell homogeniseríng av legeringen vid en specifik temperatur och under en specifik tidsperiod, relativbsnabb kylning, åldring vid en annan specifik temperatur och en annan specifik tidsperiod, full- ständig homogenisering vid en tredje specifik temperatur och un- der en tredje specifik tidsperiod samt en relativt snabb kylning av kroppen. Den erhållna, finkorniga legeringen kan underkas- tas ytterligare upparbetning som kan vara fördelaktig t ex för att framkalla önskad grad av hållfasthet och tänjbarhet. Den be- skrivna metoden är speciellt fördelaktig vid gjutning och smidning, dvs tillämpningar som endast omfattar en begränsad bearbetning el- ler ingen alls.