ПРИМЕНЕНИЕ МЕДНОГО СПЛАВА Российский патент 2021 года по МПК B22D11/59 C22C9/00 

Изобретение относится к применению медного сплава с признаками пункта 1 формулы изобретения.

Медь представляет собой материал с очень высокой тепловой и электрической проводимостью, превосходной коррозионной стойкостью, умеренной твердостью и хорошей формуемостью. Путем добавления легирующих элементов свойства медных сплавов могут быть отрегулированы сообразно варианту применения.

Для получения литейных форм для непрерывной разливки в настоящее время, как правило, в зависимости от конкретной технологической ситуации применяют медные сплавы из высокопрочного медно-хром-циркониевого или пластичного медно-серебряного сплавов. Требования к используемым материалам постоянно возрастают, так как все больше и больше повышаются нагрузки на литейные установки. В частности, это касается высокопроизводительных литейных установок с очень высокими скоростями литья, например, таких как установки для литья тонких слябов.

Медные сплавы и их применение для литейных форм раскрыты в патентных документах WO 2004/074526 A2 или US 2015/0376755 A1. Раскрытые медные сплавы имеют содержание хрома до 0,40 вес.% и, соответственно, 0,6 вес.%.

Несмотря на отточенное конструктивное исполнение литейных форм, доминирующие эксплуатационные исключительно высокие тепловые нагрузки и сильные перепады температур создают очень высокую нагрузку на материал кристаллизаторов. Частой причиной выхода из строя в случае высокопрочных материалов, таких как CuCrZr, является начинающееся растрескивание вследствие возникающей комбинации термических и механических усталостных явлений. Как правило, это происходит в области поверхности ванны, в которой имеют место наибольшие термические нагрузки. В случае более мягких, пластичных материалов, таких как медно-серебряный сплав, как правило, возникает не растрескивание, а нежелательная остаточная пластическая деформация литейной формы, так называемое выпучивание. Это обусловливается высокими механическими напряжениями вследствие различающихся величин теплового расширения внутри литейной формы. Остаточная деформация возникает тогда, когда в результате этих напряжений превышается прочность материала, то есть, его предел текучести.

Вследствие вышеуказанных эффектов часто не выдерживаются предписанные сроки службы, или же больше не может быть повышена производительность литейной установки. Подобные вредные эффекты могут проявляться при применении медных сплавов для термически и механически высоконагруженных токопроводящих компонентов сварочной техники, например, таких как сварочные электроды, головки электродов, сварочные роликовые электроды, держатели электродов или сварочные сопла.

Исходя из предшествующего уровня техники, в основу изобретения положена задача создания медного сплава, который при применении для литейной формы или конструкционной детали литейной формы достигает высокой работоспособности и улучшенного срока службы.

Решение этой задачи заключается в медном сплаве согласно пункту 1 формулы изобретения.

Согласно изобретению, медный сплав в весовых процентах (массовых долях в % по анализу расплава) состоит из 0,020-0,50 серебра (Ag), 0,050-0,50 циркония (Zr), максимально 0,060 фосфора (P), максимально 0,005 хрома (Cr), с остальным количеством из меди (Cu) и прочих легирующих элементов, в том числе неизбежных примесей, причем доля прочих легирующих элементов является меньшей или равной (≤) 0,50.

В отношении предлагаемого согласно изобретению медного материала речь идет о медном сплаве с высокой теплопроводностью, достаточно высокой прочностью и замедленным инициированием возникновения и разрастания трещины. Электропроводность составляет величину между 50 и 54 МСм/м.

В особенно предпочтительном варианте исполнения медный сплав в весовых процентах (массовых долях в % по анализу расплава) состоит из 0,080-0,120 серебра (Ag), 0,070-0,200 циркония (Zr), 0,0015-0,025 фосфора (P), максимально 0,005 хрома (Cr), с остальным количеством из меди (Cu) и прочих легирующих элементов, в том числе неизбежных примесей, причем доля прочих легирующих элементов является меньшей или равной 0,10.

В одном аспекте изобретения предусмотрено, что содержание хрома является меньшим или равным (≤) 0,005 вес.%. Содержание хрома в соответствующем изобретению медном сплаве поддерживают на уровне менее 0,005 вес.%, поскольку хром в системе медного сплава выделяется в виде вторичных фаз, которые обусловливают хрупкий излом и могут оказывать негативное влияние на прочность медного сплава при переменных нагрузках. Неожиданно, предусмотренный согласно изобретению низколегированный медно-циркониево-серебряный (CuZrAg) материал проявил весьма благоприятные свойства для литейных форм и, соответственно, конструкционных деталей литейных форм, в частности, плит кристаллизатора. Содержащееся серебро повышает предел длительной прочности литейных форм и, соответственно, конструкционных деталей литейных форм, из медного сплава. Доля циркония в системе объединяет высокую проводимость со значениями прочности, которые необычны для медных материалов с низким уровнем легирования. Повышение прочности достигается благодаря сочетанию механизмов упрочнения твердого раствора (посредством Ag), холодного формования от 10 до 50%, и в особенности в диапазоне от 10 до 40%, и дисперсионного твердения (благодаря Zr в форме выделившихся CuZr- и/или ZrР-фаз). Хотя легирование цирконием в соответствующей изобретению степени обусловливает незначительное снижение пластичности, а также теплопроводности и электропроводности, однако благодаря этому достигается надлежащее повышение прочности, термической стабильности и трибологической устойчивости.

Кроме того, соответствующий изобретению медный материал имеет высокую температуру разупрочнения 530°С, измеренную согласно стандарту DIN ISO 5182.

Предпочтительный медный сплав имеет содержание циркония (Zr) 0,130 вес.%, содержание серебра (Ag) 0,1 вес.%, а также содержание фосфора (Р) 0,0045 вес.%. Для такого медного сплава были измерены твердость по Бринеллю 97 HBW 2,5/62,5 и электрическая проводимость 53,7 МСм/м.

Низколегированный медный материал с уровнями содержания серебра и циркония до 0,50 вес.% проявляет особенные свойства, которые пригодны для применения в литейных формах или конструкционных деталях литейных форм. К ним относятся улучшенная прочность и высокая устойчивость к термическому размягчению при остающейся почти неизменной теплопроводности. Медный материал также проявляет улучшенную усталостную прочность по сравнению с медно-хром-циркониевыми сплавами (CuCrZr).

Материал литейной формы или конструкционной детали литейной формы при применении на стороне литья испытывает очень высокую термическую нагрузку. Возникающие напряжения в случае мягких материалов, таких как CuAg, часто приводят к пластическому течению материала в этой области (выпучиванию). Благодаря более высокой прочности соответствующего изобретению медного сплава по сравнению с CuAg эта деформация не происходит или, соответственно, возникает в явно меньшей степени, нежели это имеет место для CuAg. Улучшенная по сравнению с CuCrZr-сплавом теплопроводность также обусловливает сниженный уровень температуры на стороне заливки, что опять же сокращает возникающие там напряжения. Инициирование растрескивания в местах пиковых напряжений, как в случае CuCrZr, происходит лишь с задержкой во времени.

Прочность и устойчивость к размягчению могут быть отрегулированы целенаправленно путем вариации состава сплава, холодным формованием и соответствующим параметром дисперсионного твердения. Тем самым обеспечивается возможность изготовления литейных форм или конструкционных деталей литейных форм, например, плит кристаллизатора, которые, во-первых, на горячей стороне, на которой они приходят в контакт с расплавленным металлом, при использовании допускают в известной мере рекристаллизацию, и тем самым достижение благоприятных усталостных характеристик, и, во-вторых, на холодной стороне, где они приходят в контакт с охлаждающей средой, не проявляют пластическую деформацию вследствие повышенной прочности.

В рамках изобретения как предпочтительный рассматривают медный сплав в области средней твердости, так как здесь следует ожидать замедленного инициирования растрескивания и задержанного развития трещины. Достигаются значения твердости в области 110 HBW. Эти значения тем самым находятся между типичными значениями медных сплавов для литейных форм и, соответственно, конструкционных деталей литейных форм. Проводимость соответствующего изобретению медного сплава при 95% IACS (Международного стандарта по отожженной меди) находится выше CuCrZr и приближается к диапазону CuAg-материалов. Правда, устойчивость к размягчению зато удивительным образом оказывается >500°С в области CuCrZr-материалов. Такое сочетание является очень позитивным для применения соответствующего изобретению медного сплава в качестве материала для литейных форм и, соответственно, конструкционных деталей литейных форм, в особенности для кристаллизаторов.

Медный сплав после литья может быть подвергнут горячему формованию и/или холодному формованию. Для регулирования на меньший размер зерен рекомендуется резкое охлаждение от нагрева при формовании. Отдельная обработка на твердый раствор приводит к более крупнозернистой структуре, и по обстоятельствам к вторичной рекристаллизации. Для регулирования умеренной прочности следует проводить холодное формование до и, при необходимости, после дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение производят при температуре от 350 до 500°С.

Регулирование проводимости медного материала выполняют термической обработкой, причем здесь устанавливают величины проводимости до 370 Вт/м·К, соответственно, от 50 до 54 МСм/м.

Предлагаемый в рамках изобретения медный сплав особенно хорошо пригоден в качестве материала для изготовления литейных форм или конструкционных деталей литейных форм. Например, конструкционная деталь литейной формы представляет собой плиту кристаллизатора. Соответствующие изобретению литейные формы могут быть использованы для непрерывного литья блоков, сортовых заготовок, слябов, в частности, тонких слябов. Кроме того, из этого материала также могут быть получены другие литейные формы или, соответственно, конструкционные детали литейных форм, такие как литейные колеса, литейные валки и литейные ролики, или также плавильные тигли.

На основе благоприятных свойств материала также возможно применение для конструкционных деталей сварочной техники, таких как сварочные электроды, головки электродов, сварочные роликовые электроды или сварочные сопла.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к способу получения и применения медного сплава в качестве материала для литейных форм или для конструкционных деталей литейных форм, выбранных из следующей группы, включающей: плиты кристаллизатора, гильзы кристаллизатора, литейные колеса, литейные валки, литейные ролики, плавильные тигли. При этом медный сплав содержит в мас.%: серебро (Ag) 0,020-0,50, цирконий (Zr) 0,050-0,50, фосфор (Р) максимально 0,060, хром (Cr) максимально 0,005, легирующие элементы и неизбежные примеси ≤ 0,50 и медь (Cu) – остальное. Способ получения медного сплава включает его литье, горячее формование при температурах между 600 и 1000°С, охлаждение со скоростью 50-2000 К/мин, холодное формование на 10-50% и дисперсионное твердение при температурах между 350-500°С или обработку на твердый раствор при температурах между 600 и 1000°С, холодное формование на 10-50% и дисперсионное твердение при температурах 350-500°С. Использование изобретения позволяет повысить ресурс работоспособности литейных форм или их конструкционных деталей. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Применение медного сплава, содержащего, в мас.%:

серебро (Ag) 0,020-0,50,

цирконий (Zr) 0,050-0,50,

фосфор (Р) максимально 0,060,

хром (Cr) максимально 0,005,

легирующие элементы и неизбежные примеси ≤ 0,50,

медь (Cu) - остальное,

в качестве материала для литейных форм или для конструкционных деталей литейных форм, выбранных из следующей группы, включающей: плиты кристаллизатора, гильзы кристаллизатора, литейные колеса, литейные валки, литейные ролики, плавильные тигли.

2. Применение по п. 1, в котором медный сплав содержит, в мас.%:

серебро (Ag) 0,080-0,120,

цирконий (Zr) 0,070-0,200,

фосфор (Р) 0,0015-0,025,

хром (Cr) максимально 0,005,

легирующие элементы и неизбежные примеси ≤ 0,10,

медь (Cu) - остальное.

3. Применение по п. 1 или 2, отличающееся тем, что медный сплав имеет электрическую проводимость между 50 и 54 МСм/м.

4. Применение по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что материал используется для литейной формы или конструкционной детали литейной формы, имеющей горячую сторону, обращенную к расплавленному металлу во время проведения литья и которая размягчается и/или рекристаллизуется под термическим воздействием расплавленного металла, и охлаждаемую холодную сторону, которая при проведении литья не размягчается или не рекристаллизуется, и имеет более высокую прочность, чем сторона, обращенная к расплавленному металлу.

5. Способ изготовления медного сплава для использования в качестве материала для литейных форм или для конструкционных деталей литейных форм, содержащего, в мас.%:

серебро (Ag) 0,020-0,50,

цирконий (Zr) 0,050-0,50,

фосфор (Р) максимально 0,060,

хром (Cr) максимально 0,005,

легирующие элементы и неизбежные примеси ≤ 0,50,

медь (Cu) - остальное,

включающий

литье медного сплава,

горячее формование при температурах между 600 и 1000°С,

охлаждение со скоростью 50-2000 К/мин,

холодное формование на 10-50% и дисперсионное твердение при температурах между 350-500°С,

или

обработку на твердый раствор при температурах между 600 и 1000°С,

холодное формование на 10-50% и дисперсионное твердение при температурах 350-500°С.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что материал после дисперсионного твердения еще раз подвергают холодному формованию.