Поддающийся твердению и упрочнению медный сплав

Поддающийся твердению и упрочнению медный сплав

Реферат

Изобретение касается медного сплава, поддающегося твердению и упрочнению, в качестве материала для изготовления блоков для боковых заграждений ленточных разливочных устройств.

Стоящая перед всем миром цель, особенно в сталелитейной и медной отраслях промышленности, заключающаяся в том, чтобы отливать заготовку по возможности близко к конечному размеру и тем самым сделать экономичными стадии горячего и/или холодного формования, уже к 1970 году привела к развитию так называемых Hazelett - ленточных разливочных устройств, в которых расплавленный металл застывает в зазоре двух параллельно движущихся лент. Боковые заграждения в ленточном разливочном устройстве, известном, например, из патента США 3865176, состоят из металлических форм или блоков боковых заграждений с Т-образным пазом (T-Nut), которые ставятся в ряд на гибкую бесконечную ленту, например, из стали и которые двигаются синхронно с лентами для отливки в продольном направлении. При этом блоки боковых заграждений (по англ. Damblocks) ограничивают полость литьевой формы, образованную посредством лент для отливки.

Далее, из патента ЕР 0974413 А1 известны ряды боковых заграждений для ленточных разливочных устройств, образованные из блоков с пазом и шпонкой. Преимущество этих далее усовершенствованных форм с пазом и шпонкой состоит в более точном направлении и ориентации блоков в процессе литья и приводит к улучшению качества поверхности литьевой заготовки. Для того чтобы предотвратить преждевременный износ боковых граней блоков посредством пластической деформации и образования трещин, пригодный материал должен характеризоваться высокой твердостью и прочностью, мелкозернистой структурой и хорошей устойчивостью к длительному размягчению. Кроме того, чтобы отвести теплоту затвердевания от жидких расплавов металлов, требуется высокая теплопроводность материала блоков формы.

Наконец, особенно решающее значение имеет оптимальное усталостное поведение материала, которое обеспечивает, что после покидания участка литья термические напряжения, встречающиеся при повторном охлаждении блоков, не приводят к растрескиванию блоков в углах Т-паза, введенного для приема стальной ленты. При этом особенно высокие термические напряжения, обусловленные посредством неблагоприятной геометрии и массового распределения, можно ожидать у блоков для боковых заграждений при выполнении их с пазом и шпонкой.

Если появляются такого рода трещины, вызванные термошоком, уже через короткое время пораженный блок формы выпадает из ряда боковых заграждений ленточной разливочной машины, причем расплавленный металл неконтролируемо вытекает из полости литьевой формы и может повреждать части устройства. Для замены поврежденных блоков формы все ленточное разливочное устройство должно останавливаться и процесс литья прерывается.

Для проверки склонности к образованию трещин оказался пригодным тестовый метод, в котором блоки формы подвергают двухчасовой термообработке при 500°С и затем быстро охлаждают (закаливают) в воде при 20-25°С. Также при многократном повторении этого испытания термошоком у пригодного материала не смогли вызвать образования трещин на поверхности Т-паза.

В патенте ЕР 0346645 В1 описан поддающийся твердению и упрочнению сплав на основе меди, состоящий из от 1,6 до 2,4% никеля, от 0,5 до 0,8% кремния, от 0,01 до 0,2% циркония, по выбору вплоть до 0,4% хрома и/или вплоть до 0,2% железа, остальное медь, включая обусловленные получением примеси. Этот известный медный сплав выполнен принципиально с предпосылками для получения высокой долговечности, если он используется в качестве материала для изготовления стандартных блоков форм для боковых заграждений ленточных разливочных устройств. Для этого медного сплава дана следующая комбинация свойств:

Прочность (Rm) при 20°С: 635-660 МПа.

Прочность (Rm) при 500°С: 286-372 МПа.

Твердость по Бринеллю: 185-191 НВ (соответствует примерно 195-210 HV).

Проводимость: 41,4-43,4% IACS (от англ. International Annealed Copper Standert, т.е. международный стандарт на отожженную медь для электротехнических целей).

При тесте на термошок трещины не появляются. Преимущество по отношению к сплавам на основе меди, содержащим бериллий, состоит в возможности вручную осуществлять сухую чистовую шлифовку блоков формы, так как бериллий не содержится в шлифовальной пыли. Последующая обработка используемых блоков для боковых заграждений с пазом и шпонкой связана со значительными затратами и требует, как правило, механической (влажной) очистки Т-паза и литьевых поверхностей (например, в закрытых камерах), чем подавляется выделение шлифовальной пыли. Таким образом, использование сплавов, содержащих бериллий, в этих условиях принципиально было бы возможно.

Однако блок для боковых заграждений из CuNiSiZr-сплава, описанного в патенте ЕР 0346645 В1, имеет отрицательную склонность при очень высоких механических и термических нагрузках в производстве литья в ленточном разливочном устройстве к преждевременному износу боковых граней и поверхностей литья. Этот износ объясняется, как показали результаты исследований, размягчением материала боковых граней и поверхностей до величины ниже 160 HV. Далее, не всегда достигается устойчивость к термошоку известного CuNiSiZr-сплава при использовании в его качестве блока для боковых заграждений с пазом и шпонкой для того, чтобы эффективно подавлять образование трещин в Т-пазе при литье.

Исходя из уровня техники задачей изобретения является - предоставить в распоряжение поддающийся твердению и упрочнению медный сплав в качестве материала для изготовления блоков для боковых заграждений ленточных разливочных устройств, особенно при выполнении с пазом и шпонкой, которые также при высоких скоростях литья являются нечувствительными по отношению к переменным температурным нагрузкам и характеризуются высокой износостойкостью, например стойкостью к размягчению и разупрочнению, а также высоким сопротивлением к образованию трещин в Т-пазе.

Эта задача решается с помощью технического решения, описанного признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения.

Посредством использования сплава на основе меди из 1,2-2,7 мас.% кобальта, 0,3-0,7 мас.% бериллия, 0,01-0,5 мас.% циркония, по выбору 0,005-0,2 мас.% магния и/или железа и остальное медь, включая обусловленные получением примеси и обычные технологические добавки, с одной стороны, может быть обеспечена достаточная отверждаемость и упрочняемость материала для достижения высокой прочности, твердости и проводимости. С другой стороны, требуется лишь относительно малое холодное формование вплоть до максимально 40%, чтобы придать (сплаву) мелкозернистую структуру с достаточной пластичностью. Посредством того, что содержание циркония целенаправленно разделено на фракции или по стадиям (от нем. abgestuften), улучшают как усталостную прочность, так и жаропрочные свойства.

Дальнейшее улучшение механических свойств блоков для боковых заграждений, особенно повышение прочности на растяжение, может быть достигнуто по пункту 2 предпочтительно тем, что медный сплав содержит 1,8-2,4 мас.% кобальта, 0,45-0,65 мас.% бериллия, 0,15-0,3 мас.% циркония вплоть до 0,05 мас.% магния и/или вплоть до 0,1 мас.% железа.

Следующие улучшения механических свойств блока для боковых заграждений могут быть достигнуты, если медный сплав содержит вплоть до максимально 0,15 мас.% по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя ниобий, тантал, ванадий, гафний, хром, марганец, титан и церий. Обычные дезоксидирующие агенты (раскислители), такие как бор, литий, кальций, алюминий и фосфор, также могут быть добавлены вплоть до максимально 0,03 мас.% без негативного влияния на механические свойства медного сплава согласно изобретению.

Согласно следующему варианту осуществления часть содержащегося циркония может быть заменена посредством вплоть до 0,15 мас.% по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя церий, гафний, ниобий, тантал, ванадий, хром, марганец и титан.

Предпочтительно блоки для боковых заграждений двойного ленточного разливочного устройства изготавливают из медного сплава согласно изобретению посредством способа, содержащего стадии литья, горячего формования (прокатки), холодного формования (прокатки) вплоть до 40%, отжига в области твердого раствора (диффузионного отжига) при температуре, лежащей в области температур от 850 до 970°С, а также 0,5-16-часовой отверждающей и упрочняющей обработки при 400-550°С.

С особенным преимуществом медный сплав согласно п.6 может быть подвергнут холодному формованию от около 5 до 30%. При этом степень холодного формования от 10 до 15%, лежащая внутри этой области, особенно предпочтительна.

Предпочтительным является, если блоки для боковых заграждений в отвержденном (т.е. с большей твердостью) и упрочненном состоянии характеризуются прочностью на растяжение по меньшей мере 650 МПа, особенно предпочтительно 700-900 МПа, твердостью по Виккерсу по меньшей мере 210 HV, особенно предпочтительно 230-280 HV, электрической проводимостью по меньшей мере 40% IACS, особенно предпочтительно 45-60% IACS, жаропрочностью при растяжении (т.е. высокотемпературным пределом прочности при растяжении) при 500°С по меньшей мере 400 МПа, особенно предпочтительно по меньшей мере 450 МПа, твердостью в по меньшей мере 160 HV после 500-часовой выдержки при 500°С и максимальным размером зерен по ASTM Е 112 в 0,5 мм.

Особенно предпочтительными являются блоки для боковых заграждений из медного сплава согласно изобретению, если они в отвержденном и упрочненном состоянии характеризуются размером зерен, определенным по ASTM E 112, между 30 и 90 мкм. Посредством последовательности стадий способа удается сверх того неожиданно простым образом устранить плохие рекресталлизационные свойства, наблюдаемые у известных CuCoBe-сплавов при горячем пластическом формовании и обработке в виде отжига области твердого раствора. Плохие рекристаллизационные свойства при изготовлении блоков форм из CuCoBe-сплавов в состоянии после горячего формования, отжига в области твердого раствора и твердения/упрочнения ведут к грубозернистой структуре с размером зерен свыше 1 мм, неприемлемой для целей применения. Однако, если материал между горячим формованием и отжигом в области твердого раствора подвергают холодному формованию вплоть до максимально 40%, предпочтительно вплоть до максимально 15%, то эта дополнительная стадия обработки ведет к значительно более мелкозернистой структуре. Ряд соответствующих исследований подтвердил, что материалы для блоков форм для боковых заграждений ленточных разливочных машин, подвергаемые холодному формованию ниже температуры рекристаллизации и затем отжигаемые в области твердого раствора, характеризуются отчетливо более тонкой структурой с размером зерен ниже 0,5 мм, в то время как более высокая степень холодного формования выше около 40% при последующем отжиге в области твердого раствора ведет к укрупнению зерен посредством вторичной рекристаллизации до размеров зерен выше 1 мм.

Ниже изобретение поясняется примерами осуществления. На трех сплавах согласно изобретению (А, В и С) и трех сравнительных сплавах (D, Е и F) выявлены преимущества медных сплавов согласно изобретению. Состав медных сплавов в массовых процентах дан в следующей таблице 1:

Таблица 1
Сплав	Со (%)	Ni (%)	Be (%)	Zr (%)	Si (%)	Cr (%)	Cu (%)
А	2,1	-	0,54	0,18	-	-	Остаток
В	2,2	-	0,56	0,24	-	-	Остаток
С	1,3	1,0	0,48	0,15	-	-	Остаток
D	-	2,0	-	0,16	0,62	0,34	Остаток
Е	2,1	-	0,55	-	-	-	Остаток
F	1,0	1,1	0,62	-	-	-	Остаток

Сплавом состава D является известный сплав на основе CuNiSi, в то время как Е и F являются нормированными CuCo2Be-и CuCoNiBe-материалами.

Все медные сплавы были расплавлены в индукционной тигельной печи и способом непрерывной разливки отлиты в круглые заготовки диаметром 280 мм. Круглые заготовки сплавов по примерам А, В и С были подвергнуты прессованию на прессе при температуре выше 900°С до плоских брусков размером 79×59 мм и затем вытянуты посредством обжатия по сечению в 12% до размера 75×55 мм. Заготовки сравнительных сплавов D, Е и F были при той же (одинаковой) температуре непосредственно подвергнуты прессованию до размера 75×55 мм и не подвергались дополнительному холодному формованию. CuCoBe- и CuCoNiBe-материалы затем были подвергнуты отжигу в области твердого раствора при 900-950°С и медленному твердению и упрочнению в течение 0,5-16 часов в области температур между 450 и 550°С.

Сплав на основе CuNiSi был подвергнут отжигу в области твердого раствора при 800-850°С и при тех же условиях отвержден и упрочнен. В отвержденном и упрочненном состоянии определяли прочность на растяжение Rm, твердость по Виккерсу HV10, электрическую проводимость (как величину, заменяющую теплопроводность), размер зерен по ASTM Е 112, жаропрочность Rm при 500°С и устойчивость к размягчению посредством измерения твердости по Виккерсу (HV10) после выдержки при 500°С в течение 500 часов.

Блоки (1) форм с размерами 70×50×40 мм и блоки (2) форм с пазом и шпонкой размером 70×50×47 мм в заключение были испытаны в режиме термошока. Для этого блоки форм сначала два часа отжигали при 500°С и затем быстро охлаждали водой при 20-25°С. Т-паз блока затем исследовали невооруженным глазом и микроскопом при 10-кратном увеличении на наличие трещин.

Все результаты исследований обобщены в следующей таблице 2.

Таблица 2
Сплав	Rm, МПа	HV10	Провод., % IACS	Размер зерен, мкм	Rm (500°С), МПа	Твердость HV10 после выдержки при 500°С более 500 ч	Свойства после теста на термошок
Блок 1	Блок 2
А	801	254	50	30-90	523	173	трещин нет	трещин нет
В	804	245	51,5	45-90	464	175	трещин нет	трещин нет
С	812	255	49,5	45-90	485	167	трещин нет	трещин нет
D	652	205	43	45-90	387	118	трещин нет	трещины
Е	786	260	50,5	До 5000	423	150	трещины	трещины
F	807	248	48,5	До 3000	434	152	трещины	трещины

Распространение трещин в Т-пазе у боков форм, классифицированное как «трещины», составляет от 2 до 5 мм, в отдельных случаях вплоть до 10 мм. Из приведенного сопоставления можно заключить, что по сравнению с материалами Е и F только медные сплавы А, В и С, получаемые согласно изобретению с дополнительным небольшим (незначительным) холодным формованием, при оптимальных свойствах неожиданным образом характеризуются равномерной и мелкозернистой структурой и необходимой устойчивостью по отношению к образованию трещин при использовании их в качестве блока (литьевой) формы с пазом и шпонкой. Также при использовании в качестве обычных блоков форм медные сплавы согласно изобретению характеризуются явно лучшей устойчивостью к размягчению по отношению к известному CuNiSi-сплаву D и несколько лучшей устойчивостью к размягчению по отношению к сплавам Е и F.

Итак, медный сплав согласно изобретению исключительно пригоден в качестве материала для изготовления всех блоков форм для боковых заграждений ленточных разливочных устройств, подвергаемых в процессе литья типичной переменной температурной нагрузке. Речь идет как о до сих пор используемых блоках форм, так и блоках форм при выполнении с пазом и шпонкой согласно заявке ЕР 0974413 A1.

1. Поддающийся твердению и упрочнению медный сплав, содержащий 1,2-2,7% кобальта, 0,3-0,7% бериллия, 0,01-0,5% циркония, по выбору 0,005-0,2% магния и/или 0,005-0,2% железа и, соответственно, вплоть до максимально 0,15% по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя ниобий, тантал, ванадий, гафний, хром, марганец, титан и церий, остальное медь и обусловленные получением примеси, используемый в качестве материала для изготовления блоков для боковых заграждений ленточных разливочных устройств.

2. Медный сплав по п.1, который содержит 1,8-2,4% кобальта, 0,45-0,65% бериллия, 0,15-0,3% циркония, вплоть до 0,05% магния, вплоть до 0,1% железа, остальное медь.

3. Медный сплав по любому из пп.1 и 2, в котором часть содержащегося циркония заменена вплоть до 0,15% по меньшей мере одним элементом из группы, включающей в себя церий, гафний, ниобий, тантал, хром, марганец, титан и ванадий.

4. Медный сплав по любому из пп.1-3, который подвергнут после горячего формования отлитой заготовки холодному формованию вплоть до около 40%, затем отжигу в области твердого раствора при температуре, лежащей в диапазоне температур от 850 до 970°С, и затем 0,5-16-часовой отверждающей и упрочняющей обработке при 400-550°С.

5. Медный сплав по п.4, который подвергнут после стадии горячего формования холодному формованию от около 5 до 30%.

6. Медный сплав по п.4 или 5, который подвергнут после горячего формования холодному формованию от около 10 до 15%.

7. Медный сплав по любому из пп.1-6, который характеризуется в отвержденном и упрочненном состоянии прочностью на растяжение по меньшей мере 650 МПа, твердостью по Виккерсу по меньшей мере 210 HV, электрической проводимостью по меньшей мере 40% IACS, высокотемпературным пределом прочности при растяжении при 500°С по меньшей мере 400 МПа, твердостью по меньшей мере 160 HV после 500-часовой выдержки при 500°С и максимальным размером зерен по ASTM Б 112 в 0,5 мм.

8. Медный сплав по любому из пп.1-7, который характеризуется в отвержденном и упрочненном состоянии прочностью на растяжение 700-900 МПа, твердостью по Виккерсу 230-280 HV, электрической проводимостью 45-60% IACS, высокотемпературным пределом прочности при растяжении при 500°С по меньшей мере 450 МПа и твердостью по меньшей мере 160 HV после 500-часовой выдержки при 500°С.

9. Медный сплав по любому из пп.1-8, который характеризуется по ASTM E 112 средним размером зерен между 30 и 90 мкм.