DE2149546A1 - Verfahren zur Herstellung von besonders plastischen Bleilegierungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von besonders plastischen BleilegierungenInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von besonders plastischen
Besonders plastische Bleilegierungen kann man herstellen durch Gießen von aushärtbaren Bleilegierungen,
dann der Gießling ausgelagert oder gealtert wird, woraufhin der Rohling einer sehr schweren Verformung
unterworfen wird, und zwar in Form eines Strangpressens bei einer Oberflächentemperatur am Kokillenaustritt
zwischen etwa 4-9 und 1210C.
Von besonderer Plastizität bei Metallwerkstoffen spricht man dann, wenn der Werkstoff ausserorden-flich stark
dehnbar ist, z.B. eine Dehnung von zumindest 100 # bei Raumtemperatur gestattet ohne Einschnürung, d.h. Verringerung
der Querschnittsfläche während der Deformation unter
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Last; die wesentlich geringer ist als sie der normalen Streckgrenze entspricht. Im Gegensatz dazu spricht man
von einer normalen Plastizität ι wenn die Dehnung bei Raumtemperatur
nur 20 bis 50 % beträgt und es sehr schnell
zum Einschnüren kommt. Die große Fließfähigkeit übermäßig plastischer Werkstoffe bietet bei der Verarbeitung
gewisse Vorteile, da aufgrund dessen eine sehr weitgehende Verformung möglich ist, ohne daß es zum Bruch kommt und
darüber hinaus auch der für die Formgebung erforderliche . Energie an teil verringert werden kann. Mit anderen Worten
lassen sich mit solchen Werkstoffen die verschiedensten und auch sehr kompliziertenFormen herstellen. Die Erfüllung
der Formen wird verbessert. Größe und' Aufwand der formgebenden Anlagen kann verringert werden und deren Standzeit
vergrößert und damit der Aufwand gesenkt werden. Schließlich lassen sich derartige Werkstoffe auch nach
billigen Verfahren verformen, wie sie z.B. in der Kunststofftechnik üblich sind, wie Vakuumformen und Blaßformen.
Aufgabe der Erfindung ist also eine superplastische Bleilegierung und deren Herstellung, die bei Raumtemperatur
eine Dehnung von zumindest 100 ?S aufweist. Nach der Erfindung
w wird eine auslagerbare Bleilegierung abgegossen und ausgelagert
und dieser Rohling einer weitgehenden Umformung unter genau geregelten Temperaturbedingungen im Rahmen des
Strangpressens unterworfen.
Die erfindungsgemäß behandelten Legierungen sind auslagerbar, härtbar oder alterungsfähig, d.h. die Härte der
Gießling nimmt mit zunehmender Zeit bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen zu. Solche auslagerungsfähige Bleilegierungen
sind binäre Bleicalciumlegierungen und ternäre Bleicalciumzinnlegierungen,
z.B. solche enthaltend etwa 0,03 bis
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0,5 # Ca, vorzugsweise etwa 0,08 bis 0,1 $>
Ca, Rest Blei, bzw. etwa 0,03 bis 0,5 Ji Ca und bis etwa 1 # Sn, Rest im
wesentlichen Blei. Bevorzugt sind auf diesem Gebiet Legierungen mit 0,08 bis 0,1 % Ca und etwa 0,7 bis 1 % Sn,
Rest im wesentlichen Blei mit den üblichen Verunreinigungen in Bleilegierungen.
Die auslagerbaren Bleilegierungen werden zu Masseln
en
oder Barren in üblicher Weise in Form oder Kokillen abgegossen oder auch durch kontinuierliche Gießverfahren.
Nach dem Abguß kann der Gießling bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen bis zur vollständigen Aushärtung
gelagert werden, d.h. bis sich die Härte des Gießlings nicht mehr nennenswert ändert und bei weiterer Lagerung im
wesentlichen konstant bleibt. Die Auslagerungszeit hängt ab von .der Zusammensetzung und der Temperatur· So benötigt
man für eine binäre Bleicalciumlegierung mit 0,09 <f>
Ca bei Raumtemperatur (210C) einen Tag, um eine relative Härte
von 63 zu erreichen, die auch beibehalten wird, wenn bis. zu 28 Tagen ausgelagert wird· Eine ternäre Bleilegierung
mit 0,1 £ Ca und 0,3 # Sn benötigt für die vollständige
Auslagerung 60 bis 90 Tage,bis eine relative Härte von etwa 15 erreicht ist, die dann beibehalten wird· Bei einer
ternären Bleilegierung mit 0,1 % Ca und 0,7 % Sn werden
ebenfalls etwa 60 bis 90 Tage bei Raumtemperatur für eine
relative Härte von etwa 58 benötigt, die jedoch dann bei weiterer Auslagerungzeit beibehalten wird. Wird jedoch diese
ternäre Legierung bei erhöhter Temperatur, z.B. 205°C (*fOO°F)
gehalten, so benötigt man eine sehr viel kürzere Auslagerungszeit, z.B. nur etwa 5 h. Höhere Temperatur beschleunigt also
die Auslagerung (die relative Härte wird ermittelt nach "Rockwell"mit einer Kugel, Durchmesser 3,175 mm, bei einer
maximalen Last von 60 kg und einer minimalen Last von 10 kg,
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aufgebracht in 10 sec).
Wie erwähnt wird der ausgelagerte Gießling dann stark verformt und zwar unter genau geregelten Temperaturbedingungen,
durch Strangpressen· Die Strangpreßtemperatur muß so eingestellt werden, daß eine niedere Oberflächentemperatur des
Preßlings, nämlich zwischen ^9 und 121°C (120 bis 2500F)
gewährleistet ist, vorzugsweise zwischen etwa 65 "bis 121 C,
insbesondere etwa 93°C, da man bei höheren oder tieferen Oberflächentemperaturen des Preßlings keine Superplastizität
erhält, mit anderen Worten, daß der Preßling bei Raumtemperatur eine Dehnung von weniger als 100 % aufweist. Die
Oberflächentemperatur des austretenden Preßlings.läßt sich
in der für die Superplastizität erforderlichen Größenordnung einstellen mit Hilfe des Preßverhältnisses und der
Preßgeschwindigkeit wie im folgenden noch gezeigt wird. Steigt einer dieser Faktoren so nimmt die Umformungsgeschwindigkeit
und damit auch die Temperatur zu. Im allgemeinen soll das Preßverhältnis zwischen etwa 38 χ 1 und
133 t 1 und die Preßgeschwindigkeit zwischen etwa 25»4-
und 305 mm/min (1 bis 12 inch/min) betragen. Diese
Variablen sind umgekehrt proportional. Die Oberflächentempe-.
ratur des austretenden Preßlings läßt sich unter gleich- '.'
zeitiger Erhöhung der Maschinenleistung einregeln durch Abschrecken mit Wasser, und zwar bereits von der Stelle an,
wo der Preßling die Kokille verläßt. Er kann an dieser Stelle mit Wasser bespritzt werden, wie im folgenden noch
ausgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an folgenden Beispielen noch näher erläutert. Es handelt sich dabei um
aushärtbare oder auslagerungsfähige Bleilegierungen, die in üblicher Weise kontinuierlich abgegossen wurden. Die
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Gießlinge hatten, einen Durchmesser von 98, *f mm (3»8?5 inch)
1111(1 eine Länge von Z^ mm (10 inch). Der koninuierliehe Gießstrang
wird auf diese Stangen "beschnitten und geschält zur Entfernung der oberflächlichen Oxidschicht· Diese Stangen
gelangen dann zur Auslagerung bei Raumtemperatur (210C)
in 1 bis 90 Tagen· Die ausgelagerten Stangen wurden nun bei verschiedenen Oberflächentemperaturen am Austritt aus
der Kokille zu Bändern stranggepresst, wobei weitere Variationen die Preßgeschwindigkeit und das Preßverhältnis darstellten.
Auch wurde teilweise mit und ohne Abschrecken mit Wasser gearbeitet. Die Temperaturen wurden mit Hilfe
eines Oberflächen-yrometers ermittelt. Die Strangpreßtemperatur
kann definiert werden als die Temperatur im "Plateaubereich11 gegen die Längenkurve, d.h, wenn die
Temperatur des Preßlings nach einer gewissen Zeit stabilisiert ist. Bruchfestigkeit und Dehnung wurden bei 21 bzw« l49°C
ermittelt, um anhand dieser die Superplastizität zu zeigen.
In diesem Fall wurde ein ternäre Bleiealciumzinnlegierung,
enthaltend 0,08 j£ C»und 1% Sn. 90 Tage bei Raumtemperatur
ausgelagert und dann stranggepreßt«
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T a b e 1 le I
ro ο co
Strangpreßbe dingungen | PreBver- Geschwindig- hältnis keit (in/min) mm/min |
.(1) | 25 | bei | mechanische Eigenschaften | bei | (1900) 1,34 | 1490C | % | |
38 ι 1 . | (1) | 25 | Bruchf estig-r·. keit 2 (psi) kg/mm |
210C | • Dehnung Bruchfestigk.. f» (psi) kg/mm |
(1800).1,27 | Dehnung | |||
Bei spiel |
Oberflächen temperatur (F) 0C |
54 t 1 | (2) | 50 | (4700) 3,3 | 115 ■ | (2800) 1,97 | 500 | ||
1 | (215) 102 | 38 ι 1 | (2) | 50 | (4800) 3,38 | 120 | (2700) 1,9 | 45Ο | ||
2 | (225) 107 | 54 ι 1 | (4) | 100 | (6000) 4,2 | 80 | (2300LJL.62 | 310 | ||
3 | (290) 143 | . 38 t 1 | (4) | 100 | (6500) 4,57 | 80 | (2300) 1,62 | 230 | ||
4 | (290) 143 | 54 t 1 | (6000) 4,2 | 70 | 250 | 2149546 | ||||
5 | (300) 149 | (6300) 4,42 | 70 | 300 | ||||||
6 | (325) 162 | |||||||||
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"Aus Tabelle I ergibt sich. ° - ein wesentlicher
Unterschied zwischen Bleilegierungen, die bei Strangpreßtemperaturen unter etwa 1210C verpreßt wurden und
andererseits von solchen bei höheren Temperaturen. Unterhalb von 1210C zeigten die Prüfkörper Superplastizität, bei
Prüfung bei einer Temperatur von l49°C und·hervorragende
Dehnung (zumindest 100 %) bei Raumtemperatur, wohingegen die bei höheren Temperaturen erhaltenen Preßlinge geringere
Dehnung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur zeigten. Darüber hinaus besaßen die super«
plastischen Prüfkörper (Beispiel 1 und2) eine wesentlich geringere Festigkeit während die nicht superplastischen
Prüfkörper (Yergleichsbeispiele 3 bis 6) sich den normalen Festigkeiten für stranggepresstes Material dieser Zusammensetzung
nähern.
Strangpreßbedingungen
Bei- Geschwindig- Preßver- Oberflächen- Dehnung %
spiel keit hältnis temperatur ^. ΟΛοη - . Λ,,αοη
(in/min)cm/min (F)0C bei 21 C bei 149 C
(D 25 38:1 (215)102 115 500
(2) 50 38»1 (290) 143 80 310
(4) 100 38:1 (300) 149 70 250
(24) 610 38:1 (375) 190 70 200
(1) 25 54:1 (225) 162 120 450
(1) 25 133«1 (220) 105 130 500
(4) 100 133:1 · (375) 190 6$ 220
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Aus der Tabelle II ergibt sich» daß bei niederer Preßgeschwindigkeit
von nur 25 mm/min niedere Preßtemperaturen unter 1210C auftreten» so daß die Preßlinge sehr hohe
Dehnung, und zwar zumindest 100 % bei Raumtemperatur und Superplastizität (Beispiele 7t Ht 12) aufweisen· Mit steigender
Preßgeschwindigkeit und damit steigender ümformungsgeschwindigkeit
kommt es zu höherer Temperatur, wobei der zulässige Wert von 1210C überschritten wird. Die so hergestellten
Preßlinge weisen keine Superplastizität mehr auf (Yergleichsbeispiele
8 bis 10 und 13).
Tabelle | Geschwindig- Kühlung | III | Dehnung % | 149 | |
Bei | Strangpreßbedingungen | keit (in/min)mm/min |
bei 21°C | 495 | |
spiel | Preßver | (1) 25 | Oberflächen | 115 | 500 |
hältnis | (D 25 | temperatur (F) 0C |
130 | 310 | |
14 | 38*1 | (2) 50 | (215) 102 | 80 | 400 |
15 | 133tl | (2) 50 Wasser | (220) 105 | 105 | 250 |
16 | 38il | (4) 100 | (290) 143 | 70 | 350 |
17 | 38il | (4) 100 Wasser | (<15O) 65 | 105 | 360 |
18 | 38 ti | (4) 100 Wasser | (300) 149 | 100 | 350 |
19 | 38il | (12) 305 Wasser | e^l50) 65 | 100 | 220 |
20 | 133il | (4) 100 | (150) 65 | 65 | |
21 | 38il | (150) 65 | |||
22 | 133«! | (375) 190 | |||
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Aus der Tabelle m geht hervor, daß man superplastische
Bleilegierungen einhält, wenn die Oberflächentemperatur des Preßlings unmittelbar nach Verlassen der Kokille auf einen
Wert unter etwa 1210C gehalten wird durch entsprechende
Abstimmung des Preßverhältnisses und der Preßgeschwindigkeit (Beispiele 3Λ, 15) oder, wenn dies nicht erfolgt, durch
Wasserabschrecken (Beispiele 17$ 19 20, 21). Wird die entsprechende Temperatur, nicht unter etwa 1210C durch Abstimmung
von Preßverhältnis und Preßgeschwindigkeit gehalten, so tritt keine Superplastizität auf (Vergleichsbeispiele 16, 18 22)·
Es wird darauf hingewiesen, daß die Oberflächentemperatur auf einem Wert unter etwa 1210C durch Wasserabschrecken
gehalten werden kann, so daß höhere Preßgeschwindigkeit und damit größere Leistung der Anlage an superplastischen Legierungen
bei gleichem Preßverhältnis möglich wird (vergleiche Beispiel mit 16, Beispiel 19» 21 mit 18 und Beispiel 20 mit 22). Schließlich
kann man durch Wasserabschrecken, um die Oberflächentemperatur
unter dem Wert von etwa 1210C zu halten, ein höheres
Preßverhältnis einstellen, um mit gleicher Preßgeschwindigkeit superplastische Bleilegierungen zu erhalten (vergleiche Beispiel
20 mit 18).
Für diese Beispiele wurden binäre Bleicalcium- und zwei
ternäre Bleicalciumzinnlegierungen angewandt. Der Einfluß der
chemischen Zusammensetzung der Auslagerungszeit bei Raumtemperatur für die Superplastizität werden daran gezeigt« Die
Preßgeschwindigkeit betrug 25»^· mm/min, das Preßverhältnis
38x1, so daß eine Oberflächentemperatur des Preßlings von unter etwa 1210C gewährleistet ist.
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T a belle IV
Bei spiel i» Ca 23 0,099 |
0,099 | i» Sh 0 |
Auslagerungs zeit 4 h |
d | Bruchfestig keit 2 (psi) kg/mm (4400) 9,1 |
Dehnung l60 |
24 | 0,099 | 0 | 1 | d | (4400) 3,1 | 155 |
25 | 0,099 | 0 | 16 | d | (4600) 3.24 | 155 |
26 | 0,107 | 0 | 35 | d | (4700) 3.22 | 155 |
27 | 0,107 | 0,30 | 1 | d | (5050) 3,56 | 85 |
28 | 0,107 | 0,30 | 16 | d | (4750) 3,34 | 110 |
29 | 0,110 | 0,30 | 35 | d | (4800) 3,38 | 130 |
30 | 0,110 | 0,67 | 1 | d | (5750) 4,05 | 65 |
31 | 0,110 | 0,67 | 16 | d | (5500) 3,86 | 90 |
32 | 0,67 | 35 | (5600) 3,94 | 100 |
Aus der Tabelle IV geht hervor, daß die binären Legierungen eine kürzere Auslagerungszeit als die ternären Legierungen benötigen
und daß die binären Legierungen superplastischer sind als die beiden ternären (vergleiche die Beispeile 23 bis 26 gegenüber
den Beispielen 28, 29, 32). Weiters ergibt sich, daß mit
steigendem Zinngehalt der ternären Legierung auch die Auslagerungszeit ansteigt (vergleiche Beispiel 28 mit 32 und 31)·
Metallurgische Untersuchungen ergaben, daß die superplastischen Bleilegierungen ein Mikrogefüge besitzen, welches
in der Hauptsache aus Mikrokorn besteht, d.h. ein gleichachsig rekristallisiertes Korn von etwa 1 bis-5/um Durchmesser aufweist,
wohingegen die nicht superplastischen Bleilegierungen im Mikrogefüge vorherrschend ein länglicheres Korn zeigen, d.h. lange
dünne Kristallite, die möglicherweise durch Zusammenwachsen von Mikrokorn oder Rekristallisation der Preßtextur in Richtung
des Strangpressens zustandekamen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich darüber hinaus auch noch auf alle anderen auslagerfähigen oder aushärtbaren
Bleilegierungen mit einem oder mehreren Legierungselementen in bekannter Weise anwenden, wie Legierungen enthaltend Antimon,
Tellur, Barium, Strontium, Natrium und/oder Lithium·
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Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von extrem plastischen Bleilegierungen durch Gießen einer auslagerbaren Bleilegierung,
Auslagern des Gießlings und starker Verformung des ausgelagerten Gießlings durch Strangpressen, wobei die Ober-"
flächentemperatur des die Preßform verlassenden Preßlings zwischen etwa 49 und 1210C, vorzugsweise von 65 bis 121,
insbesondere 93°C, beträgt.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Bleilegierung enthaltend etwa 0,03 bis 0,5» vorzugsweise
0,08 bis 0,1 f>
Calcium, Rest im wesentlichen Blei·
3t Anwendung des Verfahrens nach Anspruch lauf eine ternäre Bleilegierung enthaltend etwa 0,03 bis 0,5» vorzugsweise
0,08 bis 0,1 % Calcium und bis etwa 1 # Zinn, vorzugsweise 0,7 bis 1 # Zinn, Rest im wesentlichen Blei.
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