SK280704B6

SK280704B6 - Vytvrditeľná zliatina medi

Info

Publication number: SK280704B6
Application number: SK3696-92A
Authority: SK
Inventors: Horst Gravemann; Thomas Helmenkamp
Original assignee: Km-Kabelmetal Aktiengesellschaft
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 2000-06-12
Also published as: CZ282842B6; ATE158822T1; MX9206426A; JPH05247565A; TR27606A; EP0548636B1; CN1031762C; CZ369692A3; US6083328A; EP0548636A1; AU661529B2; PL170470B1; GR3025195T3; PL297032A1; KR100260058B1; RU2102515C1; FI97108C; DE59208945D1; CA2086063C; CA2086063A1

Description

Vynález sa týka vytvrditeľnej zliatiny medi na výrobu lejacích valcov a lejacích kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podľa Brinella aspoň 200 HB a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm².

Doterajší stav techniky

Všeobecne rozšírený cieľ, najmä oceliarenského priemyslu odlievať polotovary na rozmery čo najbližšie konečným rozmerom, aby nemuseli byť uskutočňované operácie tvárenia za tepla a/alebo za studená, viedol už od roku 1980 k radu vylepšení, napríklad na kontinuálne liatie s jedným a dvoma valcami.

Pri týchto spôsoboch kontinuálneho liatia sa vyskytujú na vodou chladených valcoch pri odlievaní oceľových zliatin, ktoré sa valcujú za tepla len veľmi technicky náročné, v oblasti nalievania taveniny veľmi vysoké povrchové teploty. Tieto teploty sa pohybujú, napríklad pri liatí oceľovej zliatiny na rozmery blízke konečným rozmerom, pričom lejacie valce sú vyrobené z materiálu CuCrZr so súčiniteľom elektrickej vodivosti 48 Sm/mm² a súčiniteľom tepelnej vodivosti asi 320 W/mK, pri 350 ’C až 450 ’C. Materiály na báze CuCrZr sa doteraz používali predovšetkým na tepelne vysoko namáhané kokily na kontinuálne liatie a lejacie kolesá. Povrchová teplota klesne pri týchto materiáloch ochladzovaním lejacích valcov cyklicky pri každej otáčke krátko pred oblasťou nalievania na asi 150 ’C až 200 ’C. Na ochladenej zadnej strane lejacích valcov zostáva teplota naproti tomu v priebehu otáčania prakticky konštantná na asi 30 ’C až 40 ’C. Teplotný gradient medzi povrchom a zadnou stranou v kombinácii s cyklickými zmenami povrchovej teploty lejacích valcov spôsobí vznik veľkých tepelných napätí v povrchovej časti materiálu valcov.

Podľa skúšok uskutočňovaných na únavu pri doteraz používanom materiáli CuCrZr pri rôznych teplotách s amplitúdou predĺženia ±0,3 % a frekvenciou 0,5 Hz - tieto parametre zodpovedajú zhruba frekvencii otáčania lejacích valcov 30 min.'¹ - je možné napríklad pri maximálnej povrchovej teplote 400 °C - zodpovedajúcej hrúbke steny 25 mm nad vodným chladením - v priaznivom prípade očakávať životnosť do objavenia sa trhliny 3000 cyklov. Lejacie valce by preto museli už po relatívne krátkom čase prevádzky asi 100 minút byť dodatočne opracované na odstránenie povrchových trhlín. Na výmenu lejacích valcov je potrebné lejací stroj zastaviť a postup liatia prerušiť.

Ďalšou nevýhodou osvedčeného materiálu CuCrZr na kokily je na tento prípad použitia relatívne malá tvrdosť asi 110 až 130 HB. Pri jednovalcovom alebo dvojvalcovom kontinuálnom liati totiž nie je možné zabrániť tomu, že rozstrieknuté kvapky ocele sa dostanú na povrch valcov už pred oblasťou nalievania. Stuhnuté oceľové častice sa potom vtlačia do relatívne mäkkého povrchu lejacích valcov, čím je veľmi ovplyvnená kvalita povrchu odliatych pásov s hrúbkou asi 1,5 až 4 mm.

Rovnako malá elektrická vodivosť známej zliatiny CuNiBe s prísadou až 1 % nióbu vedie v porovnaní so zliatinou CuCrZr na vyššiu povrchovú teplotu. Pretože sa elektrická vodivosť naopak chová proti tepelnej vodivosti proporcionálne, zvýši sa povrchová teplota lejacieho valca zo zliatiny CuNiBe v porovnaní s lejacím valcom zo zliatiny CuCrZr s maximálnou teplotou 400 °C na povrchu a 30 ’C na zadnej strane na asi 540 °C.

Ternárne zliatiny CuNiBe, prípadne CuCoBe majú síce v zásade tvrdosť podľa Brinella väčšiu ako 200 HB, ale elektrická vodivosť štandardných polotovarov vyrobených z týchto materiálov, ako napríklad tyče na výrobu odporových zváracích elektród, prípadne plechy a pásy na výrobu pružín alebo nosných rámov, dosahuje hodnoty ležiace nanajvýš v rozsahu od 26 do asi 32 Sm/mm². Za optimálnych podmienok by sa s týmito štandardnými materiálmi dosahovala povrchová teplota lejacích valcov len asi 585 ’C.

A konečne ani pri zliatinách CuCoBeZr alebo CuNiBeZr, v podstate známych z patentu US 4 179 314, neexistujú dôkazy, že pri zamýšľanej voľbe komponentov zliatiny by bolo dosahované elektrickej vodivosti > 38 m/Qmm² v spojení s minimálnou tvrdosťou 200 HB.

Úlohou vynálezu je vytvoriť materiál na výrobu lejacích valcov, plášťov lejacích valcov a lejacích kolies, ktorý nebude ani pri rýchlostiach liatia nad 3,5 m/min. citlivý na striedavé teplotné namáhanie, a ktorý bude pripadne mať vysokú odolnosť proti únave pri pracovnej teplote lejacích valcov.

Podstata vynálezu

Túto úlohu spĺňa vytvrditeľná zliatina medi na výrobu lejacích valcov a lejacích kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podľa Brinella aspoň 200 HB a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm², podľa vynálezu, ktorého podstatou je, že pozostáva z 1,2 až 2,6 % hmotn. niklu, 0,1 až 0,45 % hmotn. berýlia, voliteľne až 0,25 % hmotn. zirkónia, zostatok meď, vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad, pričom hmotnostný pomer niklu k berýliu je aspoň 5:1.

Ďalšie zlepšenie mechanických vlastností, najmä zvýšenie medze pevnosti v ťahu, možno dosiahnuť výhodne tým, že obsahuje 0,05 až 0,25 % hmotn. zirkónia.

Podľa výhodného uskutočnenia vytvrditeľná zliatina medi berýlia, 0,15 až 0,2 % hmotn. zirkónia, zostatok meď, vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia je pomer niklu k berýliu (Ni/Be) pri obsahu niklu nad 1,2 % hmotn. aspoň 5.

A konečne je podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia pomer niklu k berýliu v rozsahu od 5,5 do 7,5.

Ďalšie zlepšenie mechanických vlastností možno dosiahnuť vtedy, keď sa do zliatiny podľa vynálezu pridá až do celkového maximálneho obsahu 0,15 % hmotn. aspoň jeden prvok zo skupiny niób, tantal, vanád, titán, chróm, cér a hafnium.

Pri pokusoch so zliatinami normovanými podľa ASTM a DIN bolo prekvapivo zistené, že pri obsahu 1,1 až 2,6 % hmotn. niklu je možné dosiahnuť vlastností potrebných na lejacie valce pri liatí na rozmery blízke konečným rozmerom - t. j. tvrdosti podľa Brinella > 200 HB a elektrickej vodivosti aspoň 38 Sm/mm² - a preto aj vysokej odolnosti proti únave vtedy, keď je obsah niklu proti obsahu berýlia v určitom pomere a urobí sa prispôsobené vhodné tepelné, prípadne termomechanické spracovanie.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vynález bude ďalej bližšie objasnený na niekoľkých príkladoch uskutočnenia. Na štyroch zliatinách (zliatinách F až K) určených na použitie podľa vynálezu a na štyroch porovnávacích zliatinách (A až D) bude ukázané, ako kri2 tickým zložením je, aby bola dosiahnutá požadovaná kombinácia vlastností. Zloženie príkladných zliatin je udané v tabuľke 1 vždy v % hmotnostných. Zodpovedajúce výsledky pokusov sú zhrnuté v tabuľke 2.

Tabuľka 1

Zliatina	Ni	Be	Cu
A		1,43	0,54	zvyšok
B		1,48	0,40	zvyšok
C		1,83	0,42	zvyšok
D		2,12	0,53	zvyšok
F		1,48	0,29	zvyšok
G		1,86	0,33	zvyšok
H		1,95	0,30	zvyšok
K		2,26	0,35	zvyšok
Tabuľka 2
Zliatina	Ni/Be		HB Súč. tepelnej vodi-
		(2,5/187,5)	vosti Sm/mm
A	2,6		193	30,9
B	3,7		224	36,1
C	4,4		235	37,0
D	4,0		229	33,9
F	5,1		249	39,4
G	5,6		247	38,5
H	6,5		249	39,8
K	6,5		249	39,8

V tabuľke 2 sú udané dosiahnuté hodnoty tvrdosti a elektrickej vodivosti pre zliatiny s rôznym obsahom niklu a berýlia - podľa rôznych Ni/Be pomerov. Všetky zliatiny boli roztavené vo vákuovej peci, tvárené za tepla a po aspoň jednohodinovom žíhaní na odstránenie pnutia pri 925 °C a nasledujúcom prudkom ochladení vo vode vytvrdzované 4 až 32 hodín pri teplote v rozsahu 350 až 550 °C.

Ako je pri zliatinách F, G, H a K určených na použitie podľa vynálezu vidieť, je dosiahnutá požadovaná kombinácia vlastností vtedy, keď hmotnostný pomer niklu k berýliu robí aspoň 5:1.

Keď sa lejacie valce, prípadne ich plášte po popustení na odstránenie pnutia podrobia prídavnému tváreniu za studená o asi 25 %, je možné dosiahnuť ďalšie zlepšenie elektrickej vodivosti.

Týmto spôsobom sa dosiahne napríklad pri zliatine s obsahom niklu 1,48 % hmotn. a pomerom Ni/Be aspoň 5,1 32-hodinovým vytvrdzovaním pri 480 °C elektrickej vodivosti 43 Sm/mm² a tvrdosti podľa Brinella 225 HB. So stúpajúcim obsahom niklu je umožnená ďalšia optimalizácia vlastností zvýšením pomeru Ni/Be. Zliatina medzi s obsahom niklu 2,26 % hmotn. a pomerom Ni/Be 6,5 má po 32-hodinovom vytvrdzovaní pri 480 °C tvrdosť podľa Brinella 230 HB a elektrickú vodivosť 40,5 Sm/mm². Ako hornú hranicu na dosiahnutie požadovanej kombinácie vlastností je možné uviesť na obsah niklu 2,3 % hmotn. pomer Ni/Be 7,5.

Zloženie a technologické vlastnosti siedmich ďalších zliatin určených na použitie podľa vynálezu sú uvedené v ďalších tabuľkách 3 a 4. Všetky zliatiny boli žíhané na odstránenie napätí pri 925 °C, potom tvárené za studená o 25 % a následne podrobené 16-hodinovému vytvrdzovaniu pri teplote 480 °C.

Tabuľka 3

Zliatina	Ni%	Be%	Zr%	Cu
L	1,49	0,24		zvyšok
M	2,26	0,36		zvyšok
N	2,07	0,32	0,18	zvyšok
O	1,51	0,28	0,19	zvyšok
P	1,51	0,21	0,17	zvyšok
R	1,40	0,21	0,21	zvyšok
S	1,78	0,28	0,21	zvyšok

Tabuľka 4

Zliatina	Ni/Be	Medza pneťažnosti N/mm²	R™ 2 N/iiun	Ťažnosť %	Tvrdosť HB 2,5/187,5	Súč. tep. vodivosti S m/ «λ™² mm
L	6,2	681	726	19	244	40,2
M	6,5	711	756	18	255	40,1
N	6,5	682	792	18	220	38,6
O	5,4				234	39,0
P	7,2				211	40,9
R	6,3	626	680	15	217	41,1
S	6,3	662	712	13	223	40,8

Z týchto výsledkov pokusov je možné ďalej zistiť, že aj pri zliatinách CuNiBe s prísadou zirkónia pri dodržaní pomeru Ni/Be 5 až 7,5 možno dosiahnuť vysokých hodnôt elektrickej vodivosti v spojení s vysokými hodnotami tvrdosti podľa Brinella. Prísadou až 0,25 % hmotn. zirkónia sa elektrická vodivosť oproti zliatine CuNiBe bez zirkónia zníži prekvapivo len nepatrne, pričom minimálna hodnota elektrickej vodivosti 38 Sm/mm² je zaručená. Ináč prináša prísada zirkónia pri spracovaní výhody a zlepšuje tvárnosť za tepla.

Na doplňujúce skúšky na odolnosť proti únave bolo zvolené príkladné zloženie zliatiny N, pretože táto zliatina má relatívne nízku elektrickú vodivosť. Pomocou zliatiny M možno dosiahnuť maximálne povrchové teploty lejacieho valca asi 480 °C. Pri dosiaľ známom namáhaní lejacieho valca pri odlievaní ocele sa zvýši potom pri zliatine N určenej na použitie podľa vynálezu životnosť oproti zliatine CuCrZr o dvoj až trojnásobok. Vzhľadom na vysokú tvrdosť podľa Brinella už ďalej neexistuje nebezpečie, že povrch lejacieho valca bude poškodený vtlačením rozstreknutej taveniny.

Podobné kritické tepelné namáhania vznikajú aj pri lejacích kolesách pri kontinuálnom liatí drôtovej guľatiny na známych lejacích zariadeniach s valcami Souhtwire a Properzi. Rovnako pri týchto spôsoboch je k dispozícii, keď sa použije zliatina CuNiBe (Zr) podľa vynálezu, zvlášť vhodný materiál na výrobu lejacích kolies. Tieto spôsoby liatia sa vzhľadom na nedostatočné vlastnosti materiálov použitých na lejacie kolesá dosiaľ na odlievanie ocele nemohli presadiť.

A konečne boli vyvinuté v posledných troch rokoch na odlievanie na rozmery blízke konečným rozmerom ďalšie spôsoby, pri ktorých medené kokily vzhľadom na extrémne vysoké rýchlosti liatia 3,5 až asi 7 m/min. dosahujú aj extrémnych povrchových teplôt až do 500 °C. Aby trenie medzi kokilou a pásom ocele bolo čo možno najmenšie, je ďalej potrebné nastaviť vysokú frekvenciu oscilácií kokily 400 zdvihov/min. a viac. Periodicky výkyvná hladina kúpeľa pritom spôsobuje tiež značné namáhanie na únavu kokily v oblasti menisku, čím je nepriaznivo ovplyvnená životnosť týchto kokíl. Pri použití zliatin CuNiBe (Zr) podľa vynálezu s ich vysokou odolnosťou proti únave, môže byť aj pri týchto použitiach dosiahnuté značné zvýšenie životnosti.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vytvrditeľná zliatina medi na výrobu lejacich valcov a lejacich kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podľa Brinella aspoň 200 HB a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm², vyznačujúca sa tým, že pozostáva z 1,2 až 2,6 % hmotn. niklu, 0,1 až 0,45 % hmotn. berýlia, voliteľne až 0,25 % hmotn. zirkónia, zvyšok meď, vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad, pričom hmotnostný pomer niklu k berýliu je aspoň 5:1.

2. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nároku 1, v y značujúca sa tým, že obsahuje 0,05 až 0,25 % hmotn. zirkónia.

3. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúca sa tým, že obsahuje 1,4 až 2,2 % hmotn. niklu, 0,2 až 0,35 % hmotn. berýlia, 0,15 až 0,2 % hmotn. zirkónia, zvyšok meď, vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad.

4. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa tým, že hmotnostný pomer niklu k berýliu jc v rozsahu od 5,5 do 7,5 : 1.