SE467878B - Maessingslegering av betatyp med aluminium och foerfarande foer att bibringa denna en finkornig struktur - Google Patents

Description

467 878 10 15 20 25 30 35 tion. Därvid avses att en SME-komponent uppvisar sådana funk- tioner som normalt nödvändiggör ett komplicerat arrangemang av olika anordningar (till exempel värmesensor, förstärkare, relä/proportionella manöverdon etc).

Vid sådana tillämpningar får de ifrågavarande materialen undergå termomekaniska påkänningar av fysikalisk typ samt kan till följd därav uppvisa utmattningsfenomen som är termomeka- niskt betingade i sådana fall då lämpliga åtgärder icke vid- tagits. Det är känt att en av huvudförutsättningarna för att gynnsamma förlopp skall uppnås hos metallmaterial som rent allmänt utsättes för utmattning och därvid speciellt termome- kanisk utmattning innefattar framställning av material med utpräglat finkorning och homogen struktur.

Mässingmaterial av betatyp och som icke innefattar till- satselement för reduktion av korndimensionen uppvisar däremot en betydligt grovkornigare struktur och ställer sig därigenom mindre tillförlitliga under långvariga termomekaniska utmatt- ningsbetingelser. Enligt föreliggande uppfinning söker man framställa en Cu-Zn-Al-legering med sådan sammansättning som möjliggör framställning av beta-mässingmaterial med SME-egen- skaper, och som speciellt uppvisar finkornigt kristallin struktur samt med beständighet mot termomekanisk utmattning samtidigt med god bearbetbarhet.

Med den utgångspunkten möjliggöres uppfinningsföremålet därigenom att en kopparbaserad metallegering framställes, spe- ciellt med avseende på erhållandet av aluminium-beta-mässing- material, och som speciellt uppvisar en halt av 5 viktprocent till 35 viktprocent zink, mellan 1 viktprocent och.10 viktpro- cent aluminium samt niob och titan i en sammanlagd mängd mellan 0,01 viktprocent och 0,2 viktprocent jämte resterande mängd koppar, varvid eventuellt innefattas föroreningar och andra legeringskomponenter samt viktförhållandet mellan ingå- ende niobmängd och titanmängd i legeringen är i det närmaste lika med 1. Tack vare ett omfattande utvecklingsarbete i an- slutning till noggranna fysikaliska och strukturbaserade undersökningar har det visat sig att om man i ett aluminium- mässingsmaterial samtidigt införlivar niob (Nb) och titan (Ti) inom fastställda låga halter samt lämpligen i inbördes jämvikt oväntat synergistiska effekter erhålles med avseende på de två l0 15 20 25 30 35 3 467 avs legeringskomponenterna, vilket inom legeringens metallmatris resulterar i bildning av tertiära föreningar mellan metallerna till följd av aluminiets inverkan av typen Nb-Ti-Al, vilka ger upphov till pàtalig reduktion av korndimensionen och därigenom förbättrad beständighet mot termomekanisk utmattning.

Materialet har även förbättrad kallbearbetbarhet. Som bekant inverkar föreningarna mellan metallerna av angiven typ och som i finfördelat dispergerad form ingar i metallmatrisen som en kristallisationskärna under materialets stelning samt har likasá förmåga att inverka störande pà korntillväxten under efterföljande värmebehandling vid hög temperatur, varvid rörelse förhindras i anslutning till motsvarande gränsomràden.

Detta leder till pàtaglig minskning av den sprödhet som van- ligen förekommer hos aluminium-beta-mässingmaterial i vilka icke ingar nägra tillsatta komponenter samt resulterar likaså i förbättrad bearbetbarhet vid omgivningstemperatur. Den redu- cerade kornstorleken till följd av förekomsten av föreningarna mellan metallerna ger i sin tur upphov till förbättrade hall- fasthetsegenskaper i samband med termomekanisk utmattning av legeringen som sàdan. Föreliggande legeringar uppvisar även ökad stabilitet vid sadana driftstemperaturer som de normalt utsättes för i samband med användningen därigenom att angivna föreningar mellan metallerna vilka bildas i anslutning till samtidig tillsats av niob och titan uppvisar stabilitet även vid höga temperaturer (900°C).

Med utgångspunkt fràn experimentell utprovning genom separata försök har det även visat sig att beträffande fram- tagandet av de nya och fördelaktiga egenskaperna hos de före- liggande legeringarna tillsatsen av niob och titan mäste upp- visa ett sammanlagt procental i form av summan av de separata halterna för Nb och Ti som ligger mellan 0,01 och 0,2 viktpro- cent. Det har likasà överraskande visat sig att om man önskar uppnå de förbättrade resultaten ställer det sig nödvändigt att reglera viktförhällandet mellan det niob och titan som ingår i legeringen pa sätt enligt vilket halten för de tvá komponent- erna är i det närmaste samma. Med den utgångspunkten hänför sig uppfinningen till kopparbaserade legeringar vari ingar en betydande mängd av en komponent i form av 5 till 35 viktpro- cent zink, 1 till 10 viktprocent aluminium och sammanlagt 467 878 10 15 20 30 35 mellan 0,01 och 0,2 viktprocent Nb + Ti. Viktförhallandet mellan den mängd Nb och den mängd Ti som ingar i legeringen är i det närmaste lika med 1, och resterande mängd upptill 100% det vill säga legeringens totalvikt, utgöres av koppar, möj- liga föroreningar samt eventuellt ytterligare legeringskompo- nenter, vilka dock ligger utanför uppfinningsföremàlet och av den anledningen kan lämnas utan avseende. Legeringen kan enligt en föredragen uppbyggnad innefatta 0,05 viktprocent Ti och 0,5 viktprocent Nb, under det att halterna för Al och Zn väljes med avseende på den speciella applikationen, varvid temperaturvärdena As och Ms är i huvudsak relaterade till viktförhàllandet mellan de sistnämnda tvà komponenterna. I vardera fallet maste halten för Zn och Al i huvudsak förbli inom angivna intervall, och halten för Nb och Ti får betrakta- de var för sig icke understiga 0,005 viktprocent, dä i annat fall otillräcklig reduktionseffekt med avseende pà korndimen- sionen förorsakas. Dessa begränsningar är entydigt relaterade till alltför lag viktmängd tertiär utskiljning med korndimen- sionsreducerande verkan.

Framställningen av jämte bearbeten av legeringarna enligt uppfinningen vidtas pa gängse sätt genom införlivandet av legeringskomponenterna i smält koppar, speciellt vid samti- digt införlivande av niob och titan i en Cu-Zn-Al-baserad le- gering, efterföljt av att den sålunda erhållna legeringen gjutes till tackor, att den bearbetas genom extrudering vid processtemperaturer av storleksordning 800°C samt att den sedan bearbetas genom sträckning eller kallvalsning, varvid i anslutning till varje efterföljande kallvalsnings- eller sträckningsfas vidtas en därmed sammanhängande inskjuten äter- upphettningsfas till lämplig temperatur. Därefter far lege- ringen underga upplösningsbehandling genom upphettning till temperaturen cirka 700-800°C àtföljt av plötslig nedkylning (anlöpning). Legeringen enligt föreliggande uppfinning kommer att beskrivas närmare som följer med hänvisning till de angiv- na exemplen samt bifogade figurer, varvid: figurerna 1 och 2 med utgångspunkt fràn tva mikrofoto- grafier vid olika förstoringar àskádliggör legeringsprover enligt uppfinningsföremàlet varav framgår de grova partiklarna 10 15 20 25 30 35 467 878 UI med utgångspunkt fràn tertiära föreningar mellan metaller och med en fast lösning som bakgrund och figurerna 3 och 4 avser separata spektrometerdiagram av partiklarna och den fasta lösningen med utgångspunkt fràn fig 1 respektive 2.

I fig 1 visas speciellt en TEM~elekronmikroskopisk bild med partiklar (svart beskaffenhet) som har sammansättning enligt fig 3 (X 75 000) I fig 2 visas en TEM-elektromikroskopisk bild med par- tiklar som har mindre dimensioner med utgångspunkt fràn sam- mansättning enligt fig 3 (X 270 000) EXEMPEL 1 Smältprover framställdes i en induktionsugn med kapaciteten cirka 50kg jämte efterföljande gjutning till cirka Sükg samt efterföljande gjutning till tackor med diametern 110mm átföljt av kylning i vatten. Chargerna innefattade 34,5kg 99,9 ETP- -koppar, 13,5kg Zn, 1,5kg Al och 0,5kg förlegering av koppar med 10% Nb och 10% Ti. Därigenom erhállen legering med smält beskaffenhet göts till tackor, och efter stelning fick tackor- na undergà värmeextrudering vid processtemperaturen cirka B00°c, varigenom en halvfabricerad produkt erhölls med dia- metern 25mm. Detta halvfabrikat fick undergà kallbearbetnings- utprovning i samband med sàväl sträckning som valsning, och det separata sträcknings- eller valsningssteget vidtogs vid omgivningstemperatur med ett inskjutet àterupphettningssteg, vilket bestod i att temperaturen hos halvfabrikatet ökades till 550°c, och denna temperatur upprätthölls i halvfabrikatet under 0,5 timmar. Innan proverna uttogs formades de erhållna trådarna genom böjning till spiralfjädrar med följande geome- triska matt: tràddiameter 3mm, fjäderdiameter 21mm, spiralan- tal 10. Därvid erhàllna fjädrar upphettades till B00°C, varm- hölls vid denna temperatur 0,5 timmar och anlöptes sedan däri- genom att nedkylning vidtogs genom nedsänkning i vatten vid 20°c. Fjädrar erhölls sålunda vilka visade sig behandlingsbara i form av termomekaniska konditioneringscykler varigenom SME-effekt ställer sig möjlig, eller också kan de direkt an- vändas inom sàdana tillämpningar som baseras pà den superelas- 467 878 10 15 20 30 tiska verkan. Likaså ställer sig materialet enkelt att bear- betas sàväl under tràddragningssteget som valsningsstegen. Med utgångspunkt fràn mikroskopisk undersökning uppvisade proven efter anlöpning fràn 900°C reducerade kristallina dimensioner med avseende pà kornstorlek i genomsnitt cirka 0,1-0,15pm.

EXEMPEL 2 Proven enligt exempel 1 vilka undergàtt uppvärmningsprocedurer i form av upplösningsbehandling jämte anlöpning enligt exempel undersöktes med hjälp av transmissionselektronmikroskop (TEM) samt genom EDS-mikroanalys. Erhàllna resultat framgàr av mikrofotografierna enligt figurerna 1 och 2 samt genom dia- grammen enligt figurerna 3 och 4. Figur 1 avser ett mikrofoto- grafi vid förstoringen X 75 000 vilket visar partiklar (grov- korniga) av tertiära Al-Nb-Ti-föreningar med den i figur 3 visade sammansättningen. Pig 2 är ett mikrofotografi med för- storingen x 270 000 för ett prov motsvarande det enligt figur 1, och därvid framgàr partiklar av tertiära sammetallförening- ar med mindre dimensioner och med samma uppbyggnad som enligt figur 3. Figur 3 avser ett spektrum som erhållits genom EDS- mikroanalys med utgångspunkt fràn partiklarna enligt figurerna 1 och 2, under det att figuren 4 avser ett EDS-spektrum för den fasta lösningen i frånvaro av partiklarna och som er- hàllits vid samma driftsbetingelser, varvid figuren visas som jämförelse. Den tertiära uppbyggnaden (Al-Nb-Ti) hos de grov- korniga partiklarna är helt klar mot bakrund av den samtidiga förekomsten (figur 3) av Nb- och Ti-linjerna (icke detekter- bara i den fasta lösningen enligt figur 4 i frånvaro av dessa partiklar till följd av den làga medelhalten för elementen Nb och Ti) jämte den kraftiga ökningen av relativa intensiteten för Al-linjen med utgångspunkt fràn det värde som kunde obser- veras hos den fasta lösningen (figur 4) i frànvaro av partik- larna. I spektrum enligt figur 4 kan däremot enbart linjerna för legeringens huvudkomponenter observeras och den lägre re- lativintensiteten för Al-linjen med utgångspunkt fràn det som framgår av figuren är påtaglig.

Claims (3)

10 15 20 25 Patentkrav

1. Kopparbaserad metallegering, speciellt för framställ- ning av aluminium-beta-mässingmaterial, k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller mellan 5 viktprocent och 35 viktprocent zink, 5 till 10 viktprocent aluminium samt en totalmängd niob och titan vilken ligger mellan 0,01 viktprocent och 0,2 vikt- procent, varvid restmängden är koppar, alternativt med däri ingående föroreningar jämte ytterligare legeringselement, samt viktförhållandet mellan niobmängden och motsvarande titanmängd i legeringen är i det närmaste lika med 1.

2. Metallegering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att däri ingår 0,1 viktprocent niob och 0,1 viktprocent titan.

3. Förfarande för framställning av aluminium-beta- mässingmaterial med finkornig struktur, k ä n n e t e c k n a t av att en legering enligt kraven 1 och 2 framställes genom smältning, varvid niob och titan samtidigt införlivas i en Cu-Zn-Al-baserad legering âtföljt av gjutning, den sålunda framställda och stelnade legeringen får undergå bearbetning genom extrudering vid en temperatur av ca 800°C jämte efter- följande kallbearbetningssteg genom valsning eller sträckning med inskjutna återupphettningssteg till en temperatur över- stigande 500°C samt legeringen därefter får undergå en upp- hettningsprocedur i form av upplösningsbehandling, varvid innefattas upphettning till 700°C åtföljt av efterföljande snabbkylning.