SE446992B - Forfarande for framstellning av en spinodal kopparlegering - Google Patents

Description

15 20 25 35 H0 446 992 föremål uppvisar en sträckgräns av 1200 MPa vid 0,01 procent töjning och en brottänjbarhet av H7 procent ytreduktion.

I den amerikanska patentskriften H 052 20H beskrives kva- ternära legeringar som ej endast innehåller Cu, Ni och Sn utan även åtminstone ett ytterligare element som utgöres av Fe, Zn, Mn, Zr, Nb, Cr, Al eller Mg. En huvudsakligen spinodal struktur åstadkommes i dessa legeringar genom en behandling innefattande homogenisering, kallbearbetning och åldring analogt med behand- lingen som beskrives i den amerikanska patentskriften 3 937 638.

I den amerikanska patentskriften H 090 890 beskrives kall- valsat och åldrat remsmaterial framställt av legeringar uppvisan- de en komposition likartad kompositionen av legeringarna som be- skrives i den amerikanska patentskriften 3 937 638 och U 052 204 och uppvisar ej endast hög hàllfasthet utan också väsentligen isotrop formbarhet. Till följd därav är ett sådant remsmaterial speciellt lämpat för framställning av föremål som fordrar böj- ning av remsan i riktningar som uppvisar en väsentlig komponent vinkelrät mot valsningsriktningen.

Cu-Ni-Sn-legeringar och deras egenskaper beskrives också i följande artiklar: L.H. Schwartz, S. Mahajan och J.T. Plewes, "Spinodal Decomposition in a Cu-9 wt% Ni-6 wt% Sn Alloy", Acta Metallurgica, vol. 22, maj 1974, p 601-609; L.H. Schwartz och J.T. Plewes, "Spinodal Decomposition in Cu-9 wt% Ni-6 wt% Sn-II« A Critical Examination of Mechanical Strength of Spinodal Alloys", Acta Metallurgica, vol. 22, juli 1974, p 911-921; John T. Plewes, "âpinodal Cu-Ni-Sn Alloys are Strong and Superductile", Metal .

Progress, juli 197U, H6-50; J.T. Plewes, "High-Strength Cu-Ni-Sn Alloys by Thermomechanical Processing", Metallurgical Trans- actions A, vol. 6A, mars 1975, p 537-SHM.

Uppnåendet av god hàllfasthet och goda böjningsegenskaper i kopparbaserade legeringar innehållande Ni och Sn utgör också ett syfte med förfarandet som beskrives i den amerikanska patent- skriften 3 941 620. I denna patentskrift beskrives ett förfaran- de för behandling av ett göt genom homogenisering, kallvalsning, åldring och kallvalsning igen.

Enligt uppfinningen har det visat sig att i kopparbaserade legeringar innehållande 3-20 viktprocent Ni, 3,5-10 viktprocent Sn vid 3 % Ni och 3,5-12 viktprocent Sn vid 20 % Ni, ett element som utgöres av Mo, Nb, Ta, Ve1MH“Fe och_àterstoden koppar kan en huvudsakligen spinodal struktur utvecklas genom en behandling 10 15 20 25 30 UU 446 992 innefattande glödgning, snabbkylning och åldring. Eftersom be- handlingen ej fordrar kalldeformation är sådana legeringar lika väl lämpade för framställning av föremål genom varmbearbetning, kallbearbetning, gjutning, smídning, strängsprutning, varmpress- ning som kallbearbetning. Erhâllna föremål är starka, böjliga och uppvisar isotrop formbarhet.

Uppfinningen beskrives närmare med hänvisning till ritning- arna, varpå fig. 1 visar ett diagram över kombinationer av sträck- gräns avsatt på ordinatan och brottöjning avsatt på abskissan som uppnås i två tidigare kända legerinar (betecknade 1 och 2) och fyra legeringar enligt uppfinningen (betecknade 3, H, 5 och 6), och fig. 2 visar ett diagram över kombinationer av sträck- gräns avsatt på ordinatan och töjning avsatt på abskissan för en Cu-15Ni-8Sn-0,2Nb-legering som glödgats och åldrats i olika grad.

I fig. 1 visas kurvor 1 och 2 motsvarande kända legeringar av Cu, 15 % Ni och 8 % Sn respektive Cu och 2 % Be och kurvor 3, U, 5 och 6 motsvarande de nya legeringarna av Cu, 15 % Ni, 8 % Sn och 0,07 % Mo; Cu, 15 % Ni, 8 % Sn och 0,02 % Ta; Cu, 15 % Ni, 8 % Sn och 0,18 % Nb respektive Cu, 15 % Ni, 8 % Sn och 0,38 % V. Cu-Be-legeringen är den kommersiellt tillgängliga.

Cu-Ni-Sn-legeringarna har glödgats vid 825°C under 1 timme, snabb- kylts med vatten och åldrats vid UOOOC i olika grad, varvid läng- re åldringstider motsvarar högre värden på sträckgräns och korta- re åldringstider motsvarar högre värden på brottöjningen. Pig. 1 belyser den överlägsna hållfasthetaxoch tänjbarheten som uppnås med föreliggande legeringar i jämförelse med tidigare kända le- geringar.

Pig. 2 visar egenskaper för 0,076-cm ledningar av en lege- ring av Cu, 15 % Ni, 8 % Sn och 0,2 % Nb. Heldragna kurvor mot- svarar egenskaperna hos en ledning som har glödgats vid en tem- peratur av 825°C under perioder av 7-20 minuter, 1 timme, U tim- mar cch 17 timmar följt av snabbkylning och åldring vid HOÛOC under 1 timme. De streckade kurvorna motsvarar egenskaper hos en ledning som glödgats vid 90000 under tidsperioder av 1 timme, 4 timmar och 17 timmar följt av snabbkylning och åldring vid HOOOC under 1 timme. Pig. 2 belyser inverkan av glödgningstempe- raturen på legeringens slutliga egenskaper och för en fixerad glödgningstemperatur inverkan av glödgningstiden på sådana egen- skaper. Av fig. 2 framgår att korta glödgningstider och låga 10 15 20 30 QO 446 992 glödgningstemperaturer är önskvärda.

Legeringar enligt uppfinningen innehåller 3-20 viktprocent Ni, 3,5-10 viktprocent Sn vid 3 % Ni och 3,5-12 viktprocent Sn vid 20 % Ni. Gränsen för Sn-halter vid intermediära halter av Ni kan erhållas genom lineär interpolation mellan gränserna vid 3 % och 20 % Ni.

Fastän framställningen av en smälta av Cu-Ni-Sn-Fe-legering- en enligt uppfinningen kan ske enligt konventionell metallurgisk praxis fordras speciell försiktighet vid framställning av smäl- tor innehållande eldfasta element Mo, N, Ta eller V.

Framställningen av dessa senare smältor kan exempelvis ske på följande sätt.

Cu och Ni eller Cu-Ni-legering smältes i luft vid en tempe- ratur i närheten av 1300°C vilket ger en smälta med hög halt syre och en låg vätehalt. För reduktion av syrehalten anbringas ett täckande skikt av torr grafitfjäll på smältan. Simultant bubblas en inert gas, såsom argon, genom smältan under en period av cirka 0,5 h för förhindrande av att vätehalten i smältan ökar.

Sn tillsättes under det att genombubblingen av inert gas.upprätt- hålles och temperaturen för Cu-Ni-Sn-smältan reduceras till i närheten av 1250°C. Det har visat sig vara gynnsamt att tillsätta en liten mängd Mn till smältan vid denna punkt för uppbíndning av återstående svavel. Det är också gynnsamt att vid denna tid- punkt doppa ned en liten mängd av Mg i smältan såsom ett för-de- -oxidationsmedel. Mn-mängder av 0,1-0,3 % och Mg-mängder av 0,95-0,1r% är i allmänhet tillräckliga för sådana syften varvid' M e ler V neddoppas därefter i smältan företrädesvis såsom en g företrädesvis tillsättes i form av CuMg-legering. Mo, Nb, Ta 1 eutektisk blandning med Ni för underlättande av blandning. Låg- smältande eutektiska kompositioner är följande: Ni-50 % Nb, Ni-ss Ta, Ni-uv s v, Ni-us 'få Mo.

Ovan beskrivna förfarande för tillsats av eldfasta metaller Mo, Nb, Ta eller V tillaxsmälta äfCü,Ni0dhSn har visat sig ge ett utbyte av 60-80 %» För att i den slutliga legeringen en önskvärd procentuell mängd av eldfast metall skall garanteras måste en motsvarande större mängd utgångsmateríal initiellt till- sättas.

Tillsatsen av Mg till smältan som fordras enligt ovan kan medföra kvarvarande mängder Mg i legeringen. Sådana mängder för- sämrar ej avsevärt optimala legeringsegenskaper och kan tolerePaS 15 20 25 30 35 HG 446 992 i mängder av upp till 0,1 % Mg. Mn kan tolereras till och med i större mängder och kan tillsättes avsiktligt i mängder upp till 5 %, exempelvis såsom ett billigare ersättningsmaterial för kop- par. Likartat kan mängder av upp till 5 % Zn ersätta Cu utan otillbörlig försämring av legeringsegenskaperna. Andra förore- ningar som kan förekomma i kommersiellt tillgängliga legerings- beståndsdelar kan tolereras i mängder av upp till 0,2 % Co, 0,1 % Al, 0,01 % P, 0,05 % Si och 0,005 % Pb. Syrehalten bör hållas lägre än 100 ppm för förhindrande av bildning av eldfasta 'metalloxider. Den totala mängden föroreningar i legeringen bör företrädesvis ej överstiga 5 viktprocent.

Ett föremål enligt uppfinningen kan formas av det gjutna materialet eller ett göt kan utsättas för bearbetning och for- mas vid temperaturer vid eller överstigande omkristallisations- temperaturen medelst smidning, strängsprutning, varmbearbetning eller varmpressning. Det formade föremålet glödgas vid en tempe- ratur som beror pä Ni- och Sn-halter i legeringen såsom visas i tabell 1 för fyra belysande legeringar. För fixerade mängder Ni minskar i allmänhet den övre gränsen för glödgningstempera- turen med ökande mängd Sn och den lägre gränsen för glödgnings- temperaturen ökar med ökande mängder Sn. För fixerade mängder Sn ökar däremot både den övre och den lägre gränsen för glödg- ningstemperaturen med ökande mängder Ni. För förhindrande av att grövre fördelning uppnås väljes glödgningstemperaturerna före- trädesvis nära den lägre gränsen av tillåtet intervall såsom vi- sas i tabell 1 för de belysande kombinationerna av Cu, Ni och Sn.

Såsom visas i fig. 2 bör dessutom glödgningstiderna företrädes- vis ej överstiga 4 timmar. Glödgningstider så korta som 7-20 minuter kan vara tillräckliga för små föremål. Sådan glödgning medför bildandet av en fast lösning av Cu-Ni-Sn-komponenten av legeringen och simultant utfällning av tillsatselementet vid korngrånser såväl som inuti matrisen.

Efter glödgningen snabbkyles föremålet i vatten eller salt- lösning och åldras vid en temperatur av 300-H75OC. En åldrings- temperatur av 375-42500 kan anses vara typisk; emellertid kan åldringstemperaturen regleras så att längre eller kortare åld- ringstid kompenseras, vilket kan vara lämpligt beroende på stor- leken och formen av föremålet. Speciellt gäller att för att en homogen inre temperaturfördelning skall uppnås åldras företrä- desvis voluminösa föremål under en längre tidsperiod under det |._x (D 15 20 25 (L) Q HO 446 992 att tråd- och remsmaterial kan åldras, exempelvis i ett kontinu- erligt förlopp, under en kortare tidsperiod. En ökning av åld- ringstiden med en faktor 10 motsvarar typiskt en ökning av åld- ringstemperaturen med cirka SÛOC och tvärtom. Emellertid får åldringstemperaturen ej överstiga cirka U75°C eftersom högre temperaturer bidrar till en icke önskvärd försprödning och kärn- bildnings- och -tillväxttransformation. Ett kännetecknande drag för det beskrivna förfarandet är att kallbearbetning ej fordras för utvecklandet av en spinodal struktur och.æt följaktligen ett tillverkat föremål enligt uppfinningen kan formas såsom det er- hållits genom gjutning, smidning, varmbearbetning, varmpressning eller strängsprutning, dvs formas vid temperaturer vid eller överstigande legeringens omkristallisationstemperatur. Fastän bearbetning som ej innefattar kallbearbetning föredrages vid framställning av föremål enligt uppfinningen uteslutes ej ett kallbearbetningssteg före åldring för ytterligare formning av ett föremål i någon önskvärd utsträckning. Närvaron av ett till- satselement som utgöres av Mo, Nb, Ta, V eller Fe i legeringen medför den ytterligare gynnsamma effekten att för ändamål var- vid hållfasthet hos det formade föremålet är ett primärt krav uppnås högre hållfasthetsvärden för en given grad av kallbearr betning i jämförelse med det hållfasthetsvärde som uppnås för en motsvarande Cu-Ni-Sn-legering som ej innehåller ett sådant tillsatselement. Kallbearbetningsgrader av mindre än 25 % ytre- duktion eller till och med mindre än 20 % eller 15 % ytreduktion är gynnsamma i detta sammanhang. i För den händelse kallbearbetning utnyttjas är konventionell dubblering av kallbearbetningen och åldringen ej utesluten. I stället för att sluta efter en sekvens av glödgning, snabbkyl- ning, kallbearbetning och åldring kan speciellt en sådan behand- ling sluta, exempelvis efter en sekvens av steg av glödgning, snabbkylning, kallbearbetning, åldring, snabbkylning, kallbear- betning och åldring. Ännu mer omfattande förfaranden innefattas också i föreliggande uppfinning under förutsättning att de inne- fattar i nämnd ordning stegen glödgning, snabbkylning och åld- ring, vilken ordning förutsättes i hela beskrivningen.

Det har fastlagts att mängder av Mo, Nb, Ta, V eller Fe som är önskvärda för uppnåendet av syftet enligt uppfinningen lig- ger inom relativt smala och väldefinierade områden, utanför vil- ka områden distinkt sämre egenskaper erhålles. Specifika gränser 10 15 20 446 992 för en legering innehållande 3 e Ni är 0,02-0,07 viktprocent Mo, 0,05-0,3 viktprocent Nb, 0,02-0,1 viktprocent Ta, 0,10-0,5 vikt- procent V eller 1-5 viktprocent Fe. För en legering innehållande 20 % Ni är motsvarande gränser 0,05-0,1 viktprocent Mo, 0,08-0,35 viktprocent Nb, 0,05-0,3 viktprocent Ta, 0,2-0,5 viktprocent V eller 2-7 viktprocent Fe. För intermediära mängder nickel kan gränserna för Mo, Nb, Ta och V erhållas genom lineär interpola- tion mellan gränserna vid 3 % och vid 20 % Ni. Lägre mängder än givna lägre gränser är mindre önskvärda på grund av otillräck- lig utskiljning av det ytterligare elementet under glödgning, och mängder överstigande de givna övre gränserna gynnar närvaron av intermetalliska föreningar av Ni och eldfasta element som kan ge upphov till reducerad formbarhet. För uppnående av syftet med uppfinningen kan tillsatserna Mo, Nb, Ta, V och Fe också använ- das i kombination i vilket fall åtminstone en av dem företrädes- vis bör ingå i en mängd inom angivna gränser.

Exempel 1-18 anges i tabell 2. Smältor innehållande de eld- fasta elementen Mo, Nb, Ta eller V framställdes med ovan beskriv- na förfarande. Göt kallvalsades i en utsträckning av 50 % ytre- duktion för glödgning, snabbkylning och åldring. Glödgningstem- peraturen var 825°C för exempel 1-10, 850°C för exempel 11-14 och 90000 för exempel 15-18.

Tabell 1 Glödgningstemperatur OC % Ni % Sn Intervall Föredraget intervall 5 5 625-975 650-700 5 8 675-860 675-750 10 5 7U0-975 750-800 10 9 825-900 825-850 15 5 775-975 775-825 15 10 820-900 820-850 446 992 ' _ Tabell 2 Nr Legeríng Åld- Ald- Sträckgräns Dnaghäll- Töjníng rings- rings- vid 0,01 *is fasthet ' 't<=_fnp. 'tid töjning i °c (h) N/mz N/mz 1 15 r-:i-s sn uoo 0,5 599 sus 927 375 1,7 15 Ni-8 Sn H00 2 717 059 717 059 0,02 3 15 Ni-8 Sn- O,195 Nb 400 1 BSH 955 1 082 484 1U 4 15 N'-8 Sn- 0,195 Nb H50 0,25 930 789 1 130 7H7 6 5 15 Ni-8 Sn- 0,U V H00 2 896 32H 1 115 958 9 5 15 Ni-8 Sn- o,u v uoo 7 955 272 1 123 952 9,5 7 15 N'-8 Sn- Û,H V 375 15 937 593 1 130 7U7 12 8 15 Ni-8 Sn- 0,05 Ta 400 " 1 BR1 166 1 075 589 6 9 15 N'-8 Sn- 0,05 Ta H00 H 944 588 1 082 H84 2,5 10 15 Ni-8 Sn- 0,06 MO H00 2 827 376 1 075 589 6 11 10 Ni-8 Sn- 0,25 Nb H00 0,2 799 797 1 058 694 15 12 10 Ni-8 Sn- o,25 Nb uno 0,5 990 799 1 197 592 14,5 13 10 Ni-9 Sn- 0,25 Nb 350 3 923 903 1 137 542 ' 7,5 1L 10 Ni-8 Sn- ',25 Nb 300 17 BU8 050 1 089 378 15 15 15 Ni-8 Sn- 2 Fä 400 17 792 902 951 H82 14 15 15 Ni-8 Sn- 2 Fe 400 H 589 H80 QUU 588 19 17 40 N'-8 Sn- 2 PE H00 2 ?H# 638 889 H29 7 19 15 Ni-8 Sn- 5 FE H00 17 595 375 910 11H 10

Claims (3)

446 992 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av ett föremål av en huvudsakligen spinodal legering genom behandling av ett inítiellt föremål, som i en mängd som utgör åtminstone 95 viktprocent utgöres av Cu, Ni, Sn och åtminstone ett till- satselement, varvid Ni ingår i legeringen i en mängd av 3-20 viktprocent och Sn ingår i en mängd av 3,5-10 viktprocent vid 3 % Ni till 3,5-12 viktprocent vid 20 % Ni, k ä n n e - t e c k n a t därav, att behandlingen av det initiella före- måleg vari tillsatselementct utgöres av Mo i en mängd av 0,02-0,07 viktprocent vid 3 % Ni till 0,05-0,1 viktprocent vid 20 % Ni; Nb i en mängd av 0,05-0,3 viktprocent vid 3 % Ni till 0,08-0,35 viktprocent vid ZO % Ni; Ta i en mängd av 0,02-0,1 viktprocent vid 3 % Ni till 0,05-0,3 viktprocent vid 20 % Ni; och/eller V i en mängd av 0,1-0,5 viktprocent vid 3 % Ni till 0,2-0,5 viktprocent vid 20 % Ni; genomföres sà- lunda att den avslutas med stegen glödgning under kort tid vid låg temperatur, snabbkylning och åldring, genomförda i an- given ordning, vilken behandling eventuellt innefattar kall- bearbetning i mindre utsträckning än 25 % ytreduktion, som skall genomföras före åldringen, och varvid sekvensen av stegen snabbkylning, kallbearbetníng och åldring kan upprepas åtminstone en gång, och varvid glödgningen under kort tid vid låg temperatur genomföres sålunda att en fast lösning av Cu-Ni-Sn-komponenten i legeringen bildas och nämnda tillsats- element utfälles varvid glödgningen under kort tid vid låg temperatur genomföres under tidsperioder av från 7 minuter till 4 timmar, varvid längre tidsperioder motsvarar lägre temperaturer och tvärtom, och vid temperaturer inom ett inter- vall vars gränser beror på mängderna av Ni och Sn i legeringen, vilket intervall är 625-975°C, när legeringen innefattar 5 viktprocent Ni och 5 viktprocent Sn, 740-975°C när legeríngen innefattar 10 viktprocent Ni och 5 viktprocent Sn, 825-QOOOC, när legeringen innefattar 10 viktprocent Ni och 9 viktprocent Sn, 775-975°C, när legeringen innefattar 15 viktprocent Ni och 5 viktprocent Sn, 820-900°C, när legeringen innefattar 15 viktprocent Ni och 10 viktprocent Sn, och varvid inter- vaflet fin'&ñága komposithmer erhålles geom approximativ inter- polering eller extrapolering, samt att åldringen genomföres vid temperaturer i intervallet 300-475°C. 446 992

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att snabbkylníngen genomföres såsom kylning med vatten eller saltlösning.

3. Förfarande enligt krav 1 eller Z, k ä n n e - t e c k n a t därav, att steget av kallberabetning genomföras i en utsträckning av mindre än 20 % ytreduktíon, företrädesvis då mindre än 15 %.