SE445048B - Forfarande for framstellning av ett messingsmaterial med mikroduplex-struktur - Google Patents

Description

7898214-6 L kända förfarande emellertid icke varaktigt förbättra de mekaniska egenskaperna hos kommersiella mässingslegeringar på sådant sätt, att de uppfyller de alltmer stigande kraven också i fortsättningen.

Detta framgår inte minst av det faktum, att sådana legeringar i allt större omfattning måste ersättas med dyrbarare och mera svår- bearbetade material. Även för vidarebearbetning genom superplas- tisk omformning är de vanliga kommersiella mässingslegeringarna olämpliga.

Det från nämnda utläggningsskrift kända framställningsför- farandet, vilket för övrigt icke heller ger något för superplas- tisk omformning lämpat material, kräver dessutom ett ytterst exakt upprätthållande av såväl behandlingstemperaturen som behandlings- tiden. Sålunda gäller exempelvis att redan smärre avvikelser från den förutbestämda glödgningstemperaturen medför en ej önskvärd försämring av hâllfasthetsegenskaperna.

Det föreligger därför, framförallt på grund av att mässing har så god elektrisk konduktivitet, ett stort intresse för på enkelt och ekonomiskt fördelaktigt sätt framställbara mässings- material med i förhållande till de traditionella mässingslege- ringarna väsentligt förbättrad omformbarhet samt eventuellt också avsevärt förhöjda hållfasthetsegenskaper.

Syftet med föreliggande uppfinning har sålunda varit att åstadkomma ett förfarande för framställning av ett ikostnadshän- seende gynnsamt mässingsmaterial, som på grund av sin struktur och sina mekaniska egenskaper kan vidarebearbetas så bra som möjligt, speciellt genom superplastisk omformning, och vilket gör det möjligt att framställa även höghållfasta och högduktila arbets- stycken. ' Enligt uppfinningen uppnås detta syfte genom att halvfabri- katet, framställt på för varm- eller kallformbara legeringar van- ligt sätt, glödgas vid temperaturer på mellan 450 och 700°C under en glödgningstid på mellan ca. 15 minuter vid 700°C och ca. 20 timmar vid 450°C för erhållande av en ren o( -fasstruktur, kall- bearbetas med en deformationsgrad av minst 50%, samt värmebehand- las vid temperaturer på mellan 200 och 350°C under en behandlings- tid på mellan l minut och 500 timmar för/6,-utskiljning och re- kristallisation.

Förfarandet enligt uppfinningen utnyttjar såledesddet kända faktum, att det binära systemet koppar-zink vid kopparhalter mel- lan 6l och 70 % inom temperaturområdet mellan 450 och 500°C har ett löslighetsmaximum för /0//57 -fasen i O( -blandkristallem Till 7808214-6 följd av att denna löslighet avtar i riktning mot lägre tempera- turer, borde det därur vid avkylning ske en separering av'fi1-fas ur det härefter övermättade D(-blandkristallmaterialet, varigenom man teoretiskt skulle få möjlighet till en utskiljningshärdning.

I praktiken kommer dock inställningen av jämvikt mellan Ok- ochlßf -faserna vid lägre temperaturer, såväl genom avtagan- de diffusion som även genom inhomogenitet, metastabila till- stånd osv., att hindras så starkt, att den tar extremt lång tid. sålunda har man hittills utgått ifrån, att det vid 25o°c erfara- ras en glödgningstid av ungefär ett år, innan den mot denna tem- peratur svarande jämvikten mellan de båda faserna har inställt sig (jfr. härtill exv. T B Massalski och J E Kittl; J Austral. Inst.

Metals, §, 1963, 91-97). Användandet av utskiljningen av /Û,-fasen ur en Cl-blandkristall föreföll därför uteslutet.

Det har emellertid visat sig, att vid mässingslegeringar av ovan angiven sammansättning, en i förväg utförd kallformning på minst 50 % har förmågan att i hög grad påskynda/Ü;-utskiljningen.

De fram till fullständig /G1-utskiljning och anslutande rekristal- lisering erforderliga glödgningstiderna ligger därför, beroende på sammansättningen och på graden av företagen kallformning samt på glödgningstemperaturen, mellan l minut och 500 timmar, vid de särskilt föredragna glödgningstemperaturerna mellan l och 8 timmar. På grund av ßj -fasens extremt fina begynnelsefördelning i moder- eller bindfasenti , erhålles efter avslutad rekristalli- sering en superfin, tvåfasig (dvs. binär) struktur, i vilken båda faserna föreligger med en kornstorlek mindre än 5 fun. Enär båda faserna på grund av sin ömsesidiga växelverkan verkar återhållande på korntillväxten, blir denna mikroduplex-struktur stabil även vid högre temperaturer.

I det följande skall det särskilt lämpliga förfarandet för framställning av mässingsmaterialet enligt uppfinningen beskrivas närmare.

Utgående från en legering med företrädesvis 62% koppar och resten zink framställes genom gjutning och strängpressning det som utgångsmaterial för den påföljande bearbetningen tjänande halv- fabrikatet. Därvid kan vilken som helst lämplig gjutmetod, exv. stränggjutning, komma till användning, men även andra metoder för varmformning, t.ex. varmvalsning eller också en eventuell kallformning, är tänkbara.

Det härvid erhållna halvfabrikatet glödgas härefter C(-sta- biliserande för att säkerställa, att materialet för vidarebear- 7808214-6 4- betning innehåller en ren 0(-blandkristall. Glödgningen sker inom temperaturområdet mellan 450 och 500°C, dvs. inom den rena 0(-fasens område. Glödgningstiden uppgår till ungefär 20 timmar.

För den påföljande kallformningen av materialet lämpar sig härför varje känd metod, såsom valsning, dragning eller hammar- smidning. Vad som är viktigt är därvid endast att uppnå en defor- mationsgrad av minst 50%, företrädesvis över 80 %. I det särskilt föredragna framställningsförfarandet bearbetas mässingshalvfabri- katet genom kallvalsning med en deformationsgrad av 90 %. Graden av kallbearbetning är därvid samtidigt normgivande för intensi- teten av den påföljande värmebehandlingen, som skall åstadkomma utskiljningen av /H -fasen samt rekristallisering av strukturen.

Vid en i förväg utförd kallformning av ca. 90% är rekristalli- sationen avslutad efter en glödgningstid av 4 timmar och en glödg- ningstemperatur av 25006. Legeringen föreligger härefter i form av en superfin, tvâfasig med en enhetlig kornstorlek av l till 2 Pm, dvs. i form av en mikroduplex-struktur.

Till följd av värmebehandlingen till fullständig rekristalli- sation har en del av materialets hårdhet, som erhållits genom den höga kallformningsgraden och /51-utskiljningen, åter gått förlorad.

Därför blir, där ett material med speciellt stor hårdhet efter- strävas, en förnyad kallformning erforderlig i anslutning till utskiljnings- och rekristallisationsglödgningen, varvid omform- ningsgraden anpassas efter den önskade sluthârdheten. På grund av sin extremt finkorniga struktur uppvisar mässingsmaterialet enligt uppfinningen extremt hög kallformbarhet, så att det vid en sådan avslutande kallformning är möjligt att uppnå deformationsgrader på över 99 %, utan att materialets sprödhet blir störande. Å andra sidan är det emellertid också möjligt att underkasta det efter rekristallisation erhållna mässingsmaterialet en superplas- tisk mmbrmningvid temperaturer upp till 350°C, varvid det till följd av mikroduplex-strukturens goda temperaturstabilitet icke sker någon väsentlig förstoring av kornen. De superfina kornen gör det möjligt att med ringa omformningskrafter uppnå relativt stora omformningar, även till komplicerade former.

Medan det vid legeringar med större kopparhalter än 62 vikt- procent är möjligt att genom valet av motsvarande högre glödg- ningstemperaturer (upp till 700°C) under vissa förhållande för- korta tiden för den CK-stabiliserande glödgningen till mindre än l timme, är det för den särskilt föredragna sammansättningen på grund av jämviktskurvans o(/(0(+ p) förlopp icke möjligt att 5' 7808214-6 utföra glödgningen vid mer än SOOOC. Man kan emellertid som ett alternativ till det i det föregående beskrivna förfarandet för fram- ställning av mässingsmaterialet förkorta glödgningstiden för den CK-stabiliserande glödgningen därigenom, att halvfabrikatet före denna första glödgning först underkastas en särskild kallform- ning på ca. 50 %. Glödgningstiden för den C(-stabiliserande glödg- ningen vid 450 till 500°C reduceras då till ungefär l timme.

Såsom redan nämnts, lämpar sig mässingsmaterialet speciellt också för framställning av höghållfasta arbetsstycken, särskilt fjädrar. För att i detta syfte överföra materialet till det fjä- derhårda sluttillståndet, utföres i anslutning till den till bil- dandet av mikroduplex-strukturen ledande utskiljnings- och re- kristallisationsglödgningen av ytterligare kallformning på ca. 80 %, exv. i form av kallvalsning eller kalldragning.

Använder man sig vid den avslutande kallformningen av de- formationsgrader på över 70, företrädesvis 80 till 99 %, kan hård- het på över 220 Hv (Vickers hårdhet) uppnås vid en brotthâllfast- het d B > 800N/mm2 och en sträckgräns 010,2 > 600 N/mm2 uppnås.

Den därefter ännu kvarvarande deformationsförmågan möjlig- gör å andra sidan ytterligare formgivningsprocesser, t.ex. för framställning av skruvar, särskilt sådana med kryssmejselspår.

I en vidareutveckling av tillverkningsförfarandet innehåller legeringen en rekristallisationsfördröjande tillsats av upp till 5 viktprocent nickel. Denna tillsats förhindrar ett alltför snabbt rekristallisationsförlopp, som kan uppstå särskilt vid värmebe- handling med högre glödgningstemperaturer och som skulle kunna stoppa ßf -utskiljningen i förtid, redan före uppnåendet av jäm- viktstillståndet. För samma ändamål är det också möjligt att an- vända en tillsats av upp till 0,l viktprocent zirkonium, silver, niob eller vanadin, varvid också var och en av dessa tillsatser kan kombineras med nickel. Inom uppfinningens ram kan man emeller- tid tillsätta också andra, likaledes rekristallisationshämmande tillsatser i proportioner upp till 0,1 % av legeringens vikt.

Vidare är det genom tillsatser av upp till 0,1 viktprocent arsenik, antimon eller fosfor resp. en kombination av dessa ämnen möjligt att skydda mässingsmaterialet mot avzinkning väsentligt bättre än med lika stora tillsatser av de hittills vanligtvis använda tillsatserna för hittills förekommande mässingslegeringar.

Den genom utskiljning av jß- resp./61-fasen ur OK-fasen uppnådda, diskontinuerliga fördelningen av /5-fasen, bibehålles till följd av den mycket finkorniga utgângsfördelningen oförändrad också

Claims (7)

1. 7808214-6 6- vid en vidarebearbetning vid högre temperaturer, så att det genom de nämnda tillsatserna uppnådda omfattande skyddet av den Åfi-fasen fullständigt omgivande G(-fasen mot avzinkning, samtidigt förhind- rar avzinkning av [Ö -fasen. I anslutning härtill skall ges ett exempel på ett mässings- material samt dettas vidarebearbetning till tråd som utgångsmaterial för skruvar och fjädrar. Exempel: Framställning av tråd. Man utgår från en legering av 62 viktprocent koppar och res- ten zink. Efter gjutning och varmformning genom strängpressning underkastas materialet en glödgning inom det CK -stabila området, dvs. det glödgas under ca. 20 timmar vid 500°C. Det uppstår då en ren OQ-struktur med en genomsnittlig korndiameter av ca. 150 Pm. Genom kallbearbetning, i detta fall genom rundsmidning (rundham- ring), bibringas materialet en deformationsgrad av 98 %, vilket är möjligt utan mellanglödgning. De sålunda kallbearbetade trå- darna underkastas därpå vid en konstant temperatur av 250°C under 8 timmar en glödgning för utskiljning av/Ö1-fasen. Vid slutet av denna tid föreligger den nu rekristalliserade strukturen tvåfasig och med en kornstorlek av l till 2 , varvid /fi-fasen är inbäd- dad förfördelad i en grundmassa av O(-fas. Detta materials hård- het är omkring 165 Hv. ' Härefter bearbetas trådarna på nytt genom kalldragning till en deformationsgrad av ca. 80 %. De uppvisade härefter följande fysikaliska egenskaper: Sträckgräns Ö'0 2 ------------- --780 N/mmz Brottgräns 5 B' ------------- "930 N/mmz Hårdhet ------------- --260 Hv Kontraktion ----------- -43560 % Patentkrav: l. Förfarande för framställning av ett mässingsmaterial med mikroduplex-struktur och bestående av en legering av 6l till 65, företrädesvis 62 viktprocent koppar, upp till 5 viktprocent nickel och/eller upp till 0,1 viktprocent av ett av ämnena zirkonium, silver, niob och vanadin, valvis upp till 0,1 viktprocent av ett eller flera av ämnena arsenik, antimon och fosfor, och resten zink, varvid det på vanligt sätt framställda halvfabrikatet under- kastas en rekristallisationsglödgning vid relativt sett högre tem- peratur, en stark kallformning samt en ytterligare rekristallisa- 7- 7808214-6 tionsglödgning vid relativt sett lägre temperatur, k ä n n e - t e c k n a t a v att halvfabrikatet, framställt på för varm- eller kallformbara legeringar vanligt sätt, (a) glödgas vid tem- peraturer på mellan 450 och 700oC under en glödgningstid på mel- lan ca. 15 minuter vid 700°C och ca. 20 timmar vid 450°C för er- hållande av en ren 0(-fasstruktur, (b) kallbearbetas med en de- formationsgrad av minst 50 %, samt (c) värmebehandlas vid tem- peraturer på mellan 200 och 350°C under en behandlingstid på mellan l minut och 500 timmar för/61~utskiljning och rekristalli- sation.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att den första glödgningen (a) genomföres vid temperaturer på mellan 450 och 5oo°c.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k- n a t a V att kallformningen (b) genomföres med en deforma- tionsgrad på mer än 80 %.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t a v att utskiljnings- och rekristalli~ sationsglödgningen (c) genomföres vid en temperatur på mellan 250 och 300°C under en glödgningstid på mellan 1 och 8 timmar.

5. Förfarande enligt något av patentkrav l - 4, k ä n n e - t e c k n a t a v att mässingsmaterialet efter utskiljnings- och rekristallisationsglödgningen (c) överföres i fjäderhårt tillstånd genom en med en deformationsgrad av minst 70 %, före- trädesvis 80 till 99 %, genomförd förnyad kallformning (d), var- vid materialet får en hårdhet på mer än 220 (Hv), en brottgräns 2 och en sträckgräns på mer än 600 N/mmz. på mer än 800 N/mm

6. Förfarande enligt något av patentkrav l - 4, k ä n n e - t e c k n a t a v att mässingsmaterialet efter utskiljnings- och rekristallisationsglödgningen (c) underkastas en superplas- tisk deformering (d') vid temperaturer på upp till 350°C.

7. Förfarande enligt något av patentkrav l - 6, _k ä n n e - t e c k n a t a v att mässingsmaterialet vid ett kopparinne- håll på mellan 61 och 62 viktprocent innan den första glödg- ningen (a) underkastas en kallformning med en deformationsgrad på ca. 50 % för att påskynda bildandet av en ren Cäwfasstruktur.