SK369692A3

SK369692A3 - A hardenable copper alloy

Info

Publication number: SK369692A3
Application number: SK3696-92A
Authority: SK
Inventors: Horst Gravemann; Thomas Helmenkamp
Original assignee: Kabelmetal Ag
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 2000-06-12
Also published as: PL170470B1; CN1075755A; CZ369692A3; FI925597A0; CA2086063C; KR100260058B1; RU2102515C1; ATE158822T1; DE4142941A1; TR27606A; CA2086063A1; DE59208945D1; CN1031762C; EP0548636A1; ZA929480B; FI97108B; FI97108C; JP3504284B2; SK280704B6; KR930013179A

Description

Vytvrditelná zliatina medi

Oblasť techniky

Vynález sa týka vytvrditelnej zliatiny medi na výrobu lejacích valcov a lejacích kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podía Brlnella aspoň 800 HB a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm^a.

Dotera.lSÍ stav techniky , všeobecne rozšírený ciel, najmá oeelárakeho priemyslu, odlievať polotovary na rozmery Čo najbližšie konečným rozmerom, aby nemuseli byť uskutočňované operácie tvárenla za tepla a/alebo za studená, viedol už od roku 1980 na rad 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, niklu, medi ako aj zliatin, ktoré sa valcujú za tepla len velmi technicky náročne, v oblasti nalievania taveniny velmi vysoké povrchové teploty. Tieto teploty sa pohybujú, napríklad pri liatí ocelovej zliatiny na rozmery blízkejtoneäným rozmerom, pričom lejacle valce sú uaYttfffifeené· z materiálu CuCrZr so súčiniteľom elektrickej vodivosti 48 Sm/mm^a a súčiniteľom tepelnej vodivosti asi 380 W/mK, pri 350 ’C až 450 °C. Materiály na báze CuCrZr sa doposiaľ používali predovšetkým na tepelne vysoko namáhané kokily na kontinuálne liatie a lejacle kolesá. Povrchová teplota klesne pri týchto materiáloch ochladzovaním lejacích valcov cyklicky pri každej otáčke krátko pred oblasťou nalievania na asi 15? Taž 800 C. Na chladenej 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 mín^-1 - Je možné napríklad pri maximálnej povrchovej teplote 400 C - zodpovedajúcej hrúbke steny 85 mm nad vodným chladením - v priaznivom prípade očakávať životnosť do objavenia sa trhliny 3000 cyklov. LeJačie valce by preto museli už po relatívne krátkej dobe prevádzky asi 100 minút byť dodatočne opracované na odstránenie povrchových trhlín. Na výmenu lejacích valcov je 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 'liatí totiž nie Je možné zabrániť tomu, že rozstrleknuté 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. PretoSe sa elektrická vodivosť naopak chová voôi tepelnej vodivosti proporcionálne, zvýši . sa povrchová teplota leJačieho 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 podlá Brlnella väčšiu ako 800 HB, ale elektrická vodivosť štandartných 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 86 do asi 38 Sm/mm^a. Za optimálnych podmienok štandardnými materiálmi dosahovala leJačích valcov len asi 585 ’C.

by sa s týmito povrchová teplota

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/Qmm^a v spojení s minimálnou tvrdosťou 800 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 poprípade mať vysokú odolnosť proti únave pri pracovnej teplote lejacích valcov.

Podstata vynálezu

Túto úlohu splna vytvrdlteľná zliatina medi na výrobu lejacích valcov a lejacích kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podlá Brlnella aspoň 800 HE a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm^a, podlá vynálezu, ktorého podstatou Je, že pozostáva z . 1,8 až 8,6 % hmotnosti niklu, 0,1 až 0,45 % hmotyros-frl berýlia, voliteľne až 0,85 % hmotyrostT zlrkónla, zostatok med 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 s výhodou tým, že obsahuje 0,05 až 0,85 % hmotnosti· zlrkónla.

Podľa výhodného uskutočnenia vytvrdlteľná zliatina medi berýlia, 0,15 až 0,8 % hmoťpeefei zlrkónla, zostatok med vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad.

Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia Je pomer niklu k berýliu (Nl/Be) pri obsahu niklu nad 1,8 % hmotaestt aspoň 5.

¹ I ' i

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

Ďalšieho zlepšenia mechanických vlastností možno dosiahnuť vtedy, keď sa do zliatiny podľa vynálezu pridá až do celkového maximálneho obsahu 0,15 % hmotyaooti aspoň Jeden prvok zo skupiny niób, tantal, vanád, titan, chróm, cér a hafnium.

Pri pokusoch so zliatinami normovanými podľa ASTM a DIN bolo prekvapivo zistené, že pri obsahu 1,1 as £.3 % hmo^fteaM niklu Je možné dosiahnút vlastností potrebných na leJačie valce pri liatí na rozmery blízke konečným rozmerom- t.j. tvrdosti podľa Brinella ' 800 HB a elektrickej vodivosti aspoň 58 Sm/mm^a - a preto aj vysokej odolnosti proti únave vtedy, keď Je obsah niklu voči obsahu berýlia v určitom pomere a urobí sa prispôsobené vhodné tepelné, poprípade termomechanlcké spracovanie.

Príklady uskutočnenia v.vn&lezu

Vynález bude dalej 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 kritickým zložením Je, aby bola dosiahnutá požadovaná kombinácia vlastností. Zloženie príkladných zliatin Je udané v tabuľke 1 vždy v % hmotnosth^zA Zodpovedajúce výsledky pokusov sú zhrnuté v tabuľke S.

Tabuľka 1

Zliatina	Ni	Be	Cu
A	1,43	0,54	zvyšok
B	1,48	0,40	zvyšok
C	1,63	0,48	zvyšok
D	8,18	0,53	zvyšok

F	1,48	0,88	zvyšok
G	1,88	0,35	zvyšok
H	1,85	0,50	zvyšok
K	8,36	0,55	zvyšok

Tabuľka 8
Zliatina	Nl/Be	HB (3,5/187,5)	Súč.tepelnej vodivosti Sm/mm^a
A	8,6	183	30,8
B	3,7	884	36,1
C	4,4	835	37,0
D	4,0	889	33,9
F	5,1	349	38,4
G	5,6	347	36,5
H	6,5	349	38,8
K	6,5	848	39,8

v tabuľke ň sú udané dosiahnuté hodnoty tvrdosti a elektrickej vodivosti pre zliatiny s rôznym obsahom niklu a berýlia - podľa rôznych Nl/Be pomerov. Všetky zliatiny boli roztavené vo vákuovej peci, tvárené za tepla a po aspoň Jednohodinovom žíhaní na odstránenie pnutia pri Θ35 · C a nasledujúcom prudkom ochladení vo vode vytvrdzované 4 až 38 hodín pri teplote v rozsahu 3S0 až 550 * C.

Ako Je pri zliatinách F, G, H a K určených na použitie podľa vynálezu vldlet, Je dosiahnutá požadovaná kombinácia vlastností vtedy, ked hmotnostný pomer niklu k berýliu ôlr.í aspoň 5:1.

Eed sa lejacle val?e, poprípade Ich pláste po popustení na odstránenie pnutia podrobia prídavnému tvárenlu za studená o asi 85 %, Je možné dosiahnuť ďalšie zlepšenie elektrickej vodivosti.

Týmto spôsobom sa dzslahne napríklad pri zliatine s obsahom niklu 1,48 % _a pomerom Nl/Be aspoň

5,1 3S|hodinovým vytvrdzovaním pri 480 C elektrickej vodivosti 43 Sm/mm^a a tvrdosti podľa Brlnella 885 HB. So stúpajúcim obsahom niklu Je umožnená ďalšia optimalizácia vlastností zvýšením pomeru Nl/Be. Zliatina medi s obsahcz niklu 8,88 % hmotaeet-1 a pomerom Nl/Be 6,5 má po 38hodinovom vytvrdzovaní pri 480 ° C tvrdosť podľa Hrlnella 830 HB a elektrickú vodivosť 40,5 Sm/mm^a. Akc hornú hranicu na dosiahnutie požadovanej kombinácie vlastností Je možné uviesť na obsah niklu 8,5 % hmotaeaU pomer Nl/Be 7,5.

Zloženie a technologické vlastnosti siedmich dalších zliatin určených za použitie podľa vynálezu sú uvedené v ďalších tabuľkách 3 a 4. Všetky zliatiny boli žíhané na odstránenie ynľ^ía pri Θ85 C, potom tvárené za studená o 85 % a následne podrobené 16hodinovému vytvrdzovaniu pri teplote 480 · C.

Tabuľka 3

Zliatina	NI %	Be %	sr %	Cu
L	1,49	0,34		zvyšok
U	8,86	0,36		zvyšok
N	8,07	0,33	0,18	zvyšok

*·	0	1,61	0,38	0,19	zvyšok
	P	1,61	0,31	0,17	zvyšok
•	R	1,40	0,31	0,31	zvyšok
	S	1,78	0,88	0,31	zvyšok

Tabuľka 4 Zliatina Nl/Be	Medza	R.	Ťažnost	Tvrdost	Súô tep
	prletažnosti N/mm^a	N/mm^a	%	HB 3,6/187,6	vodivost Sm/nn^a

	L	8,3	681	736	19	844	40,8
	M	6,6	711	768	18	356	40,1
	N	8,5	683	793	18	880	38.3
	0	5,4				334	39,0
··	P	7,3				311	40.9
	R	6,3	636	680	15	317	41,1
	S	8,3 • 1	668	713	13	883 ,	40.3
		z týchto	výsledkov	pokusov	Je možné	1 dalej zlSb	lt,
	že	aj pri zliatinách GuNIBe s	prísadou	zlrkónla	pri

dodržaní pomeru Nl/Be δ až 7,δ možno doslahnút vysokých hodnôt elektrickej vodivosti v spojení s vysokými hodnotami tvrdosti podľa Brlnella. Prísadou až 0,35 % hmotností zlrkónla sa elektrická vodivosť oproti zliatine CuNIBe bez zlrkónla zníži prekvapivo len nepatrne, pričom minimálna hodnota elektrickej vodivosti 58 Sm/mm^a Je zaručená. Ináč prináša prísada zlrkónla pri spracovaní výhody a zlepšuje tvárnosť za tepla.

Na doplňujúce skúšky na odolnosť proti únave bolo zvolené príkladné zloženie zliatiny K, pretože táto zliatina má relatívne nízku elektrickú vodivosť. Pomocou zliatiny M možno doelahnúť maximálne povrchové teploty lejacleho valca asi 490 C. Pri doposiaľ známom namáhaní lejacleho 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 Brlnella už dalej neexistuje nebezpeôle, že povrch lejacleho valca bude poškodený vtlačením rozstreknutej taveniny.

Podobné kritické tepelné namáhania vznikajú aj pri leJačích kolesách pri kontinuálnom liatí drôtovej guľatiny na známych lejacích zariadeniach s valcami Souhtwlre a Properzl. Rovnako pri týchto spôsoboch Je k dispozícii, ked 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 lejacle kolesá doposiaľ na odlievanie ocele nemohl-1 presadiť.

I ‘ '

Á 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 5,5 až asi 7 m/min dosahujú aj extrémnych povrchových teplôt až do 500 C. Aby trenie medzi kokilou a pásom ocele bolo ôo možno najmenšie, Je dalej potrebné nastaviť vysokú frekvenciu oscilácií kokily 400 sdvihov/min a viac. Periodicky výkyvná hladina kúpeľa pritom, spôsobuje tiež značné namáhanie na únavu kokily v oblasti menlsku, 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 lejacích valcov a lejacích kolies, ktoré sú pri liatí na konečné rozmery podrobované striedavému teplotnému namáhaniu, s tvrdosťou podľa Brlnella aspoň 800 HB a s elektrickou vodivosťou vyššou ako 38 Sm/mm^a, vyznačujúca sa t ý m. že pozostáva z 1,8 až 8,6 % hmottfwsrtl niklu , 0,1 až 0,45 % hmotnosti· berýlia, voliteľne az 0,85 % hmotnosti zlrkónla, zvyšok med vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad, pričom hmotnostný pomer niklu k berýliu Je aspoň 5:1.

8. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nároku 1, v yznaôujúca sa tým, že obsahuje 0,05 až 0,85 % hmoty&eeW zlrkónla.
3. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nárokov 1 alebo 8, vyznačujúca sa tým, že obsahuje

1,4 až 8,8 % hmotfieM-i niklu, 0,8 až 0,35 % hmotifteeti berýlia, 0,15 až 0,8 % hmota&e&fci zlrkónla, zvyšok med vrátane nečistôt podmienených výrobou a obvyklých spracovateľských prísad.
4. Vytvrditeľná zliatina medi podľa nárokov 1 až 3, vyznačujúca sa t ý n, ge hmotnostný pomer niklu 1: berýliu Je v rozsahu od 5,5 do 7,5:1.