NO852962L - Kobber-nikkel-tinn-kobolt legering. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår kopper-baserte spinodale legeringer og spesielt kopperbaserte spinodale legeringer som også inneholder nikkel og tinn.

Ternære spinodale kopper-nikkel-tinn-legeringer er kjent på det metallurgiske fagområde. Som et eksempel beskriver US-patent 4 373 970 spinodale legeringer som inneholder fra ca.

5 til 35 vekt% nikkel, fra ca. 7 til 13 vekt% tinn og resten

kopper. De legeringer som er beskrevet i dette patent ifølge teknikkens stand, oppviser i den eldningsherdede spinodalt dekomponerte tilstand en meget ønskelig kombinasjon av mekaniske og elektriske egenskaper, d.v.s. god styrke og god elektrisk ledningsevne, og har således verdifull anvendelighet som konstruksjonsmateriale for produktartikler såsom elektriske koplinger og reléelementer. Ett spesielt ternært spinodalt legeringsmateriale som ligger innenfor rammen av det som er kjent fra US-patent 4 37 3 9 70, inneholder ca. 15 vekt% nikkel og ca. 8 vekt% tinn og selges kommersielt under handels-navnet Pfinodal (Pfizer Inc., New York, New York). Dette legeringsmateriale kombinerer en tilstrekkelig styrke for mange kommersielle anvendelser med god duktilitet og en utmerket elektrisk ledningsevne. Når det for visse andre anvendelser fordres større styrkeegenskaper enn det som fås ved Cu-15Ni-8Sn-legeringsmaterialet, kan dette virkeliggjøres ved at man øker nikkel- og tinn-nivåene innenfor områdene for de elemen-ter som er beskrevet i US-patent 4 37 3 97 0. Det er imidlertid en tendens til at denne økede styrke oppnås på bekostning av de verdifulle duktilitets- og formbarhetsegenskaper samt ledningsevne-egenskaper for elektrisitet hos den eldningsherdede spinodalt dekomponerte legering.

Andre kopper-baserte spinodale legeringer som inneholder nikkel og tinn, er beskrevet i US-patenter nr. 3 9 37 6 38, 4 012 240, 4 090 890, 4 130 421, 4 142 918, 4 260 432 og 4 406 712, og opptrykt US-patent 31 180 (et opptrykk av US-patent 4 052 2041.

Kvaternære kopper-nikkel-tinn-kobolt-legeringer er beskrevet i US-patenter 3 940 290 og 3 953 249. Disse legeringer inneholder bare 1,5-3,3% tinn og viser seg således ikke å

være spinodale legeringer. Videre lærer disse patenter ifølge teknikkens stand at koboltnivået i legeringen ikke bør over-

stige 3% for minimalisering av forringelse av duktilitet og varm bearbeidbarhet.

Japansk publisert patentsøknad nr. 5942/81 (publisert

22. januar 1981) beskriver en serie av støpte kopperbaserte kvaternære spinodale legeringer som inneholder 9 vekt% nikkel og 6 vekt% tinn, innbefattende blant annet legeringer som inneholder henholdsvis 0,5, 0,8 og 2,0 vekt% kobolt som det kvaternære element.

Det er nå blitt oppdaget at erstatning av en del av vektprosentandelen av nikkel i en spinodal kopper-nikkel-tinn-legering med en omtrentlig lik vektprosentandel av kobolt av-føder forbedret duktilitet, formbarhet (f.eks. bøybarhet) og elektrisk ledningsevne i den eldningsherdede spinodalt dekomponerte tilstand uten vesentlig nedsettelse av styrkeegenskaper i denne tilstand. Den foreliggende oppfinnelse omfatter således en ny kopperbasert spinodal legering som i det vesentlige består av fra ca. 5 til ca. 30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca. 13 vekt% tinn, fra ca. 3,5 til ca. 7 vekt% kobolt og resten kopper, idet summen av nikkel- og koboltinnholdet ikke er mer enn 35 vekt%, basert på legeringen.

Av spesiell interesse er en legering ifølge oppfinnelsen hvor tinn-innholdet er fra ca. 8,5 vekt% til ca. 13 vekt% og summen av nikkel- og kobolt-innholdet er minst 20 vekt%. Denne legering gir høye styrkeegenskaper mens det opprettholdes til-fredsstillende duktilitets- og formbarhets-egenskaper samt ledningsegenskaper for elektrisitet for mange forskjellige anvendelser .

Den foreliggende oppfinnelse omfatter også en ny kopper-basert spinodal legering fremstilt ved pulvermetallurgi, som i det alt vesentlige består av fra ca. 5 til ca. 30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca. 13 vekt% tinn, fra ca. 0,5 til ca. 3,5 vekt% kobolt og resten kopper. Denne legering gir en utmerket kombinasjon av styrke-, duktilitets- og formbarhets- (f.eks. bøybarhets-). egenskaper samt ledningsegenskaper for elektrisitet og har en ueldet mikrostruktur som erkarakterisert veden likeakset kornstruktur av hovedsakelig bare flatesentrert kubisk alfa-fase med en hovedsakelig ensartet dispergert konsentrasjon av tinn og praktisk talt uten tinn-segregering.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter videre en pulver metallurgi-fremgangsmåte til fremstilling av den nye legering ifølge oppfinnelsen.

Som anvendt i det foreliggende refererer betegnelsen "spinodal legering" seg til en legering hvis kjemiske sammensetning er slik at den kan undergå spinodal dekomponering. En legering som allerede har undergått spinodal dekomponering,

er omtalt som en "eldningsherdet spinodalt dekomponert legering", en "spinodal herdet legering" eller lignende. Således refererer betegnelsen "spinodal legering" til legeringskjemi snarere enn den fysiske legeringstilstand, og en "spinodal legering" kan være, eller er kanskje ikke, på et hvilket som helst bestemt tidspunkt i en "eldningsherdet spinodalt dekomponert" tilstand.

Den spinodale legering ifølge den foreliggende oppfinnelse består i det vesentlige av kopper, nikkel, tinn og kobolt. Legeringen kan eventuelt inneholde små mengder av tilleggselementer etter ønske, f.eks. jern, magnesium, mangan, molybden, niob, tantal, vanadium, aluminium, krom, silisium, sink og zirkonium, så lenge legeringens fundamentale og nye karakteregenskaper ikke i noen vesentlig grad påvirkes ugunstig ved dette.

Den spinodale dekomponering av legeringen ifølge den foreliggende oppfinnelse er en eldningsherdningsoperasjon som ut-føres i minst ca. 15 sekunder ved en temperatur på fra ca. 260 til ca. 538°C. I hvert spesielle tilfelle fastsettes den øvre grense for dette temperaturområde hovedsakelig ved legeringens kjemiske sammensetning, mens den nedre grense for området hovedsakelig fastsettes ved beskaffenheten og omfanget av den bear-beidelse av legeringen som utføres umiddelbart før eldnings-herdningen. Spinodal dekomponering erkarakterisert veddan-nelsen av en tofase-legeringsmikrostruktur hvor den annen fase er fin-dispergert gjennom hele den første fase. Optimale mikro-strukturer oppnås når legeringen glødes og hurtig avkjøles før den eldningsherdes.

Den spinodale legering ifølge den foreliggende oppfinnelse kan fremstilles ved forskjellige kjente teknikker, innbefattende for eksempel sintring av et legeme av komprimert legeringspulver (pulvermetallurgi) eller, når koboltinnholdet er minst ca. 3,5 vekt%, støping fra en smelte (se f.eks. US-patent 3 937 638).

På grunn av at anvendelsen av støpe-fremgangsmåter har tendens til å resultere i tilstedeværelse av vesentlig tinn-segregering ved korngrensene i det spinodalt dekomponerte produkt, er anvendelsen av pulvermetallurgiske teknikker foretrukket når tinninnholdet er større enn ca. 6 vekt%.

En spesielt foretrukket pulvermetallurgi-fremgangsmåte

til fremstilling av en legering ifølge den foreliggende oppfinnelse er den som er beskrevet (for det ternære Cu-Ni-Sn-system) i US-patent 4 373 970. Det refereres til dette patent for en detaljert beskrivelse av denne fremgangsmåte, innbefattende retningslinjer for riktig utvelgelse av forskjellige driftsparametere. Det skal påpekes at denne fremgangsmåte lett kan tilpasses til fremstilling av en legering ifølge den foreliggende oppfinnelse i mange forskjellige tredimensjonale former og ikke bare i form av et bånd.

I henhold til fremgangsmåten ifølge US-patent 4 373 970, tilpasset til fremstilling av den kvaternære legering ifølge den foreliggende oppfinnelse, komprimeres et legeringspulver som inneholder passende andeler av kopper, nikkel, tinn og kobolt under dannelse av et usintret legeme med strukturell helhet og tilstrekkelig porøsitet til at det kan gjennomtrenges av en reduserende atmosfære, og fortrinnsvis med en komprimert densitet på fra ca. 70 til 95% av den teoretiske densitet, det usintrede legeme sintres, fortrinnsvis i minst ett minutt ved en temperatur på fra ca. 7 60 til ca. 1040°C, mer foretrukket fra ca. 870 til ca. 925°C, og det sintrede legeme avkjøles deretter med en hastighet på typisk minst ca. 93°C pr. minutt inntil eldningsherdningstemperatur-området for legeringen er krysset, slik at eldningsherdning og sprøhet forhindres. Som anvendt i det foreliggende innbefatter betegnelsen "legeringspulver" både blandede element-pulvere og for-legerte pulvere såvel som blandinger av disse.

Skjønt det sintrede legeme direkte kan underkastes eld-ningsherdnende spinodal dekomponering, er det foretrukket først å underkaste legeringslegemet bearbeidning (idet kald bearbeidning foretrekkes fremfor varm bearbeidning) og glødning. Før eldningsherdning kan således det sintrede legeme med fordel kald-bearbeides slik at man nærmer seg den teoretiske densitet, og deretter glødes, fortrinnsvis i minst ca. 15 sekunder ved en temperatur på fra ca. 815 til ca. 925°C, og hurtig bråkjøles etter glødning med en hastighet på typisk minst ca. 38°C pr. sekund, tilstrekkelig til å bibeholde en hovedsakelig fullstendig alfa-fase. Kvis ønskelig kan det sintrede legeringslegeme kald-bearbeides i trinn med mellomliggende glødning og hurtig avkjøling mellom nevnte trinn. Dessuten kan legeringslegemet kald-bearbeides etter den endelige glødning/avkjøling og umiddelbart før eldningsherdning på en slik måte at det oppnås en tverrsnittsareal-reduksjon på minst ca. 5%, mer foretrukket minst ca. 15%.

Varigheten av den spinodale eldningsherdnings-dekompone-ringsoperasjon bør utvelges og reguleres med omhu. Eldnings-herdningsprosessen skrider frem i sekvens gjennom tre tidsrom, d.v.s. det undereldede tidsområde, toppstyrke-eldningstidsom-rådet og endelig det overeldede tidsområde. Varigheten av disse tre faser vil selvfølgelig variere slik som eldnings-herdningstemperaturen varieres, men det samme generelle møns-ter er fremherskende. Styrkeegenskapene hos den eldningsherdede spinodalt dekomponerte legering ifølge den foreliggende oppfinnelse er høyest i toppstyrkeeldningsområdet og lavere i de undereldede og overeldede områder, mens legeringens duktilitet har tendens til å variere på motsatt måte (d.v.s. at den er lavest i toppstyrkeeldningsområdet). På den annen side har legeringens elektriske ledningsevne tendens til å øke kon-tinuerlig med eldningsherdningstiden. Den optimale eldnings-herdningstid vil avhenge av den kombinasjon av elektriske og mekaniske egenskaper man tilstreber for den legering som fremstilles, men vil vanligvis være innenfor toppstyrke-eldnings-området og ofte, særlig når høy elektrisk ledningsevne er av spesiell betydning, innenfor den siste halvdel av dette område.

For definisjonsformål er toppstyrkeeldningstiden for en bestemt legering ved en bestemt eldningsherdningstemperatur det nøyaktige eldningsherdningstidspunkt ved hvilket flytespenningen hos den spinodale herdede legering har maksimal verdi.

De følgende eksempler illustrerer oppfinnelsen, men skal ikke forstås som begrensende for denne.

EKSEMPLER 1- 6

Element-pulvere ble blandet i de andeler som er angitt

i Tabell I for de seks eksempler, og deretter komprimert til rektangulære staver med dimensjoner 76,2 x 12,7 x 3,18 mm med ca. 85% av teoretisk densitet. Hver stav ble sintret i en atmosfære av dissosiert ammoniakk i ca. 60 minutter ved 885°C og deretter i ca. 30 minutter ved 954,4°C, avkjølt hurtig mens de fremdeles var under den reduserende atmosfære for for-hindring av eldningsherdning og sprøhet, kaldvalset i minst fire trinn (med intermitterende homogenisering eller glødning i den reduserende atmosfære) til en tykkelse på 0,254 mm, oppløsningsglødet i 5 minutter ved 898,9°C i den reduserende atmosfære og bråkjølt hurtig i olje. Hver stav ble deretter eldningsherdet i den omgivende atmosfære ved de tids/temperatur-betingelser som er oppført i Tabell I, idet eldningsherdningstiden i hvert eksempel omtrent svarte til toppstyrkeeldningstiden ved den angitte eldningsherdningstemperatur, og deretter avkjølt til omgivelsestemperatur. Flytespenningen, den maksimale sanne strekkspenning, prosentvis bruddforlengelse og elektrisk ledningsevne hos de resulterende seks spinodalt dekomponerte prøver ble målt og er også oppført i Tabell I.

Dataene i Tabell I viser klart at erstatning av en mindre del nikkel i en eldningsherdet sponidalt dekomponert kopper-nikkel-tinn-legering med en lik vekt av kobolt tilveiebringer et hjelpemiddel til en vesentlig økning av legeringens duktilitet og elektriske ledningsevne uten at man i noen vesentlig grad forandrer legeringens styrkeegenskaper.

Claims (10)

1. Kopper-basert spinodal legering bestående i det alt vesentlige av fra ca. 5 til ca. 30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca.

13 vekt% tinn, fra ca. 3,5 til ca. 7 vekt% kobolt og resten kopper, idet summen av nikkel- og koboltinnholdet ikke er større enn 35 vekt%, basert på legeringen.

2. Legering ifølge krav 1, hvor tinn-innholdet er fra ca. 8,5 til ca. 11 vekt% og nikkelinnholdet er fra ca. 20 til ca. 25 vekt%.

3. Legering ifølge krav 1 med en ueldet mikrostruktur, karakterisert ved en likeakset kornstruktur av hovedsakelig bare flatesentrert kubisk alfa-fase med en hovedsakelig ensartet dispergert konsentrasjon av tinn og praktisk talt uten tinn-segregering.

4. Legering ifølge krav 1, hvor tinninnholdet er fra ca. 6 til ca. 8,5 vekt% og summen av nikkel- og koboltinnholdet ikke er større enn 20 vekt%, basert på legeringen.

5. Kopperbasert spinodal legering fremstilt ved pulvermetallurgi og som i det vesentlige består av fra ca. 5 til ca.

30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca. 13 vekt% tinn, fra ca. 0,5 til ca. 3,5 vekt% kobolt og resten kopper, idet legeringen har en ueldet mikrostruktur, karakterisert ved en likeakset kornstruktur av hovedsakelig bare flatesentrert kubisk alfa-fase med en hovedsakelig ensartet dispergert konsentrasjon av tinn og praktisk talt uten tinn-segregering.

6. Legering ifølge krav 5, hvor tinninnholdet er minst ca.

6 vekt%.

7. Legering ifølge krav 3 eller 5 med en ueldet mikrostruktur, karakterisert ved at den praktisk talt er uten korngrense-utfelling.

8. Fremgangsmåte til fremstilling av et kopperbasert spinodalt legeringslegeme, som omfatter: (a) det tilveiebringes et kopperbasert legeringspulver som inneholder fra ca. 5 til ca. 30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca. 13 vekt% tinn, fra ca. 0,5 til ca. 7 vekt% kobolt og resten kopper, idet summen av nikkel- og koboltinnholdet ikke er større enn 35 vekt%, basert på pulveret; (b) legeringspulveret komprimeres under dannelse av et usintret legeme med strukturell helhet og tilstrekkelig porø-sitet til at det kan gjennomtrenges av en reduserende atmosfære ; (c)_ det usintrede legeme sintres i den reduserende atmosfære under dannelse av en metallurgisk binding; og (d) det sintrede legeme avkjøles ved en hastighet som er slik at eldningsherdning og sprøhet forhindres.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, som i tillegg omfatter: (e) det sintrede legeme bearbeides til en hovedsakelig fullstendig kompakt tilstand; og (f) det bearbeidede legeme glø des og bråkjøles med en hastighet som er tilstrekkelig til at det bibeholdes en hovedsakelig fullstendig alfa-fase.

10. Fremgangsmåte til fremstilling av et kopperbasert spinodalt legeringslegeme, som omfatter: (a) det tilveiebringes et kopperbasert legeringspulver som inneholder fra ca. 5 til ca. 30 vekt% nikkel, fra ca. 4 til ca. 13 vekt% tinn, fra ca. 0,5 til ca. 7 vekt% kobolt og resten kopper; (b) legeringspulveret komprimeres under dannelse av et usintret legeme med strukturell helhet og tilstrekkelig porø-sitet til at det kan gjennomtrenges av en reduserende atmosfære ; (c) det usintrede legeme sintres i den reduserende atmosfære under dannelse av en metallurgisk binding; (d) det sintrede legeme varm-bearbeides til en praktisk talt fullstendig kompakt tilstand; og (e) det varra-bearbeidede legeme avkjøles hurtig med en hastighet som er tilstrekkelig til at det bibeholdes en hovedsakelig fullstendig alfa-fase.