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Perfectionnements relatifs aux alliages de cuivre,
L'invention se rapporte à des allia.ges de cuivre conte- nant du nickel et de l'aluminium, et tels ave les propriétés physi- ques des alliages, spécialement la dureté, puissent être améliorées par un traitement thermique approprié. Ces alliages sont du genre communément appelés alliages durcissables par précipitation ou par recuit.
Avec certains alliages de cuivre durcissables par recuit, par exemple ceux contenant de petites quantités d'aluminium et jusqu'à 40% de nickel, le traitement thermique nécessaire pour ob- tenir la dureté est exécuté en une ou deux phases. Là où un trai- tement thermique en une seule phase est employé on a proposé de chauffer l'alliage à une température d'environ 800 C. et de le laisser refroidir lentement à l'air à une vitesse dépendant de la composition de l'a.lliage, afin d'augmenter sa dureté et sa. résis- tance.
Il est plus courant, cependant, de fair3 subir à l'alliage un traitement thermioue en deux phases comprenant le refroidisse- ment brusque de l'alliage depuis une température de solution à chaud d'environ 800 C. et son recuit à une température de 500 C. à 700 C.
La présente invention a pour objet des alliages de cui- vre qui possèdent une dureté et une résistance supérieures à celles des alliages cuivre/nickel/aluminium- durcissables par recuit du genre indiqué. Elle a aussi pour objet des alliages durcissables qui ont les propriétés physiques désirées de résistance élevée à la traction et de grande dureté à des températures relativement hautes, par exemple 300 C. à 750 C.
Suivant l'invention, on obtient des alliages de cuivre durs en faisant subir à l'alliage le traitement thermioue nécessaire pour provoquer le durcissement par recuit ou précipitation, le dit alliage consistant essentiellement en cuivre, nickel, aluminium et chrome, la teneur en nickel étant de 15% à 40%, la teneur en alu- minium de 0,5% à 4%, la teneur en chrome de 0,1% à 2% et le pour- centage de nickel variant dans les limites données suivant les propriétés requises de l'alliage achevé, et le pourcentage d'alu- minium et/ou de chrome augmentant de préférence dans les limites données avec l'augmentation de la teneur en nickel.
Il est possible d'obtenir l'effet de durcissement par différents traitements thermiques suivant la composition de
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l'alliage. Tous les alliages, par exemple, sont obtenus à l'état doux par chauffage à une température de 700 C à 1100 C., qui est la température de la solution à chaud, suivi d'un refroidissement brusque. Des alliages contenant des teneurs en nickel plus élevées,
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par exemple de 30% à 40.'!, peuvent aussi être obtenus à l'état doux en les refroidissant à des vitesses moindres. Des alliages l'état doux, obtenus par une de ces voies de refroidisse ent, peuvent être durcis en réchauffa.nt par après à une t0p(rturo due 400 C. à 650 C.
En outre, tous les alli?ges suivant l'inv^ntion peuvent être durcis par un traitement therY!Î(1ue unique consistant à chauffer l'alliage à une température de 700 C. à 1100 C. suivi d'un refroidissement à une vitesse qui est 11ter-in-'e per s compo- sition, la vitesse de refroidissement diminuent avec l'f'ug'11ent2- tion de la teneur en cuivre.
Outre le durcissement obtenu per le tr=.ite..ent th2r!'1iC'ue mentionné plus haut, un durcissement plus grond encor b.<ut être obtenu en travaillant à froid l'alliage à son état doux, guis en le réchauffant à des températures variant de 400 C. à 650 C. sui-
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vant la composition de l'alliage et la ouantitr de tr,-vqil à froid auouel il a été soumis.
Dans des alliages ayant une teneur en nickel entre 15%
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et 21% il est préférable que la teneur en al1?1dniu'1l soit située entre 1% et 3, et celle en chrome entre 0,125-,--. et 0,75'. Avec une teneur en nickel plus élevée située entre 32% et 30% il est prférable d'augmenter la. teneur en chrome pour l'amener entre 0,?' et le. Avec une teneur en nickel encore plus élevée, de ::'1'" jusqu'à un maximum de 40%, la teneur en chrome peut encore être augment'e pour se tenir entre 0,5% et 2%.
D'autres éléments peuvent encore être ajoutas aux alliages suivant l'invention, sans affecter matériellement l'influence bienfaisante du chrome en combinaison avec le nickel et l'aluminium. Ainsi, un quelconque des éléments tels que manganèse, magnésium, fer, silice, cobalt ou zinc peuvent être pr'sents comme
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additions intentionnelles ou comme impuretés dans des alliages de ce type en quantités qui, de pr4f/rence, ne devreient pas dépars- ser 5% de chaque élément et, en général devraient être de beaucoup inférieures à cette quantité.
Le tableau 1 donne des exemples de compositions d'allia-
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ges suivant l'invention, avec des compositions d'alliages complé- mentaires, mais sans l'addition de chrome.
TABLEAU I.
Composition en % en poids.
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<tb> Alliage
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N . <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> Al <SEP> Cr
<tb>
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¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯..¯¯.###.¯¯¯¯¯¯¯
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<tb> 1 <SEP> 83,0 <SEP> 15,0 <SEP> 2,0 <SEP> --
<tb>
<tb> 2 <SEP> 82,5 <SEP> 15,0 <SEP> 2,0 <SEP> 0,5
<tb>
<tb> 3 <SEP> 70,2 <SEP> 28,3 <SEP> 1,5
<tb>
<tb> 4 <SEP> 70,2 <SEP> 27,8 <SEP> 1,5 <SEP> 0,5
<tb>
<tb> 5 <SEP> 58,0 <SEP> 40,0 <SEP> 2,0 <SEP> --
<tb>
<tb> 6 <SEP> 57,5 <SEP> 40,0 <SEP> 2,0 <SEP> 0,5
<tb>
Pour illustrer l'influence des différentes formes de traitement des alliages donnés dans ce tableau, les pllipges tom- bant dans le cadre de la présente invention, à savoir les alliages
2,4 et 6,
par refroidissement brusque dans l'eau d'une température de 850 C. étaient adoucis et avaient une dureté à la pyramide en diamant de 135,140 et 146 respectivement. On a trouvé, cependant, que des alliages ayant une teneur élevée en nickel pouvaient être
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amenés à l'état doux en refroidissant beaucoup plus lentement.
Ainsi, dans le cas de l'alliage n 4, si on refroidit en 3/2 heure à la température ordinaire une solution chauffée à une température de 850 C, l'alliage a une dureté à la pyramide en diamant de 156.
Ces alliages, qu'on les ait amenés à l'état doux par refroidissement brusque à l'eau ou par refroidissement lent, de,la température de solution à chaud, étaient recuits en réchauffant à une température d'environ 500 C, la dureté étant élevée par ce traitement à 234, 235 et 256 P.D. pour les alliages n .2,4 et 6 respectivement. Pour comparer, les duretés des alliages correspon- dants 1, 3 et 5 sans addition de chrome, après un traitement ther- mique identique, étaient seulement de respectivement 216, 205 et 210 P. D.
Dans des conditions semblables de refroidissement lent, par exemple après avoir refroidi en 3/2 heure d'environ 850 C. à la température ordinaire, on a constaté que l'alliage n .2 conte- nant 15% de nickel avait une dureté à la pyramide en diamant maxima de 236, ceci étant en substance la même dureté que celle obtenue par le traitement thermique en deux phases décrit dans le préambule. L'alliage n .4. contenant 27,8% de nickel, d'autre part, restait doux après ce traitement thermique et avait une dureté à la pyramide en diamant de 156.
Afin d'amener à un état de dureté maximum cet alliage (n .4) il a été nécessaire de prolonger le refroidissement jusqu'à environ 8 heures, ou autrement de soumet- tre l'alliage à un traitement thermique en deux phases comprenant l'adoucissement et le réchauffage de l'alliage adouci à une tem- pérature d'environ 500 C. Ceci illustre l'influence très considé- rable de la teneur en nickel sur le durcissement des alliages, due à la variation de la vitesse de refroidissement à partir de la température de solution à chaud, et on constate donc au'avec des teneurs en aluminium ou en chrome constantes en substance, une augmentation de la teneur en nickel des alliages correspond à une gamme plus grande de durées de refroidissement pour aboutir à l'adoucissement.
Comme exemple de l'effet du travail à froid sur les alliages suivant l'invention, l'alliage n .4, lorsqu'il était re- froidi lentement à partir de 850 C, puis soumis à une réduction de 75% de sa surface par le travail à froid et recuit en réchauf- fant pendant deux heures à 500 C., donnait une dureté à la pyramide en diamant de 359. Pour comparer, l'alliage complémentaire n .3, avec exactement le même traitement, avait une dureté à la pyramide en diamant de seulement 304; ceci démontre clairement l'effet avan- tageux de l'addition de chrome.
Un autre avantage de l'addition de chrome à ces alliages est qu'elle rend possible la conservation de la résistance à la traction à des températures élevées dans une mesure beaucoup plus grande qu'il n'était possible avec des alliages de cuivre conte- nant du nickel et de l'aluminium, connus jusqu'ici. Cet effet est clairement illustré par, le tableau 2, qui donne la' comparaison , entre les résistances à la traction entre lesalliages 3 et 4, contenant respectivement pas de chrome et 0,5% de chrome. Dans chaque cas les alliages étaient refroidis brusquement dans l'eau à partir d'une température de 850 C. et recuits en réchauffant pendant deux heures à une température de 600 C.
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TABLEAU 2.
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Température : Alli¯a e n .3 ¯ .lli^ge n¯ .4¯ de l'essai . 28,3%Ni. l,5c Al. : 27,8'" Ni. 1,5;0 Al. O,5"Cr.
C. reste Cu ¯ reste Cru :Rés1stanëTaïï n:-:RèsIstanëë--T-dTa11 nge- :à la trac- . gement sur :à la trac- . ment sur :tinn en Kj3R 1'1. Hnn on 5,08 cm.
¯¯¯.¯¯¯"K/mmS¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯K.gZmm3¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
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<tb> Température
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ordinaire <SEP> 66,682 <SEP> 23,0 <SEP> 80,061 <SEP> 21,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 250 <SEP> 47,479 <SEP> 12,0 <SEP> 64,006 <SEP> 6,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 400 <SEP> 42,342 <SEP> 4,5 <SEP> 5?,980 <SEP> 3,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 450 <SEP> 38,563 <SEP> 3,0 <SEP> 51,573 <SEP> 3,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 500 <SEP> 36,202 <SEP> 2,0 <SEP> 46,692 <SEP> 2,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 550 <SEP> 34,313 <SEP> 1,0 <SEP> 42,757 <SEP> 1,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 600 <SEP> 32,107 <SEP> 2,0 <SEP> 78,720 <SEP> 2,0
<tb>
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650 2s,610 4,0 57,054 1,0
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<tb> 700 <SEP> 17,941 <SEP> 8,0 <SEP> 28,489 <SEP> 4,0
<tb>
<tb> 750 <SEP> 18,888 <SEP> 7,0
<tb>
On a constata que les alliages cités plus haut peuvent
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être facilement coules, et travaillés chaud ou à froid,
cor..>e per exemple par extrudage, pressage, lan'in-e, étirage etc, et ils peuvent donc être employés sous une "'ue1co11nue dn ces for,-es.
La dureté uninue de ces alliages les rend particulière- ment appropriés pour la fabrication d'outils ne donnant PAS d'é-
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tincelles tandis que leur résistance et leur Furet,', co'-1;l'1' cs avec leur résistance à 1p corrosion, r?nd possible leur emploi dans des systèmes d'4changeurs therinues,:soit encore fl;Ti=- Des condi- tions impliquant une action érosive due à des matières solides en
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suspension dans le milieu circulant. D'autres proprits remarquables, telles que la résistance à l'oxydation et l'entartrage, combinées avec la conservation de la rpsistrnce à des tM1pfrr tures de SOOOC. à 600 C., devraient conduire à leur emploi dans le domaine des industries ehiminues. Des applications plus spf.cifi0ues comprennent leur emploi pour l'aubage des turbines et les soupa- pes dans des systèmes à charge élevée.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
1) Procédé de fabrication d'alliages durs de cuivre, caractérisé en ce qu'on soumet un alliage à un traitement thermi- que nécessaire pour amener le durcissement par recuit oi, par pré- cipitation, le dit alliage consiste essentielle ent en cuivre nickel, aluminium et chrome, la teneur en nickel étant de 15% a 40, la teneur en aluminium de 0,5% à 4,'.!, et le, teneur en chrome de 0,1% à 2%.
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Improvements relating to copper alloys,
The invention relates to copper alloys containing nickel and aluminum, and such with the physical properties of the alloys, especially the hardness, can be improved by a suitable heat treatment. These alloys are of the kind commonly called precipitation or annealing hardenable alloys.
With some annealing hardenable copper alloys, for example those containing small amounts of aluminum and up to 40% nickel, the heat treatment necessary to achieve hardness is carried out in one or two stages. Where a single phase heat treatment is employed it has been proposed to heat the alloy to a temperature of about 800 ° C. and allow it to cool slowly in air at a rate depending on the composition of the alloy. a.alloy, in order to increase its hardness and its. resistance.
It is more common, however, to have the alloy undergo a two-phase heat treatment comprising abruptly cooling the alloy from a hot solution temperature of about 800 ° C. and annealing it at a temperature of about 800 ° C. 500 C. to 700 C.
The present invention relates to copper alloys which have a hardness and strength superior to those of annealing-hardenable copper / nickel / aluminum alloys of the kind indicated. It also relates to hardenable alloys which have the desired physical properties of high tensile strength and high hardness at relatively high temperatures, for example 300 C. to 750 C.
According to the invention, hard copper alloys are obtained by subjecting the alloy to the necessary heat treatment to cause hardening by annealing or precipitation, said alloy consisting essentially of copper, nickel, aluminum and chromium, the nickel content being from 15% to 40%, the aluminum content from 0.5% to 4%, the chromium content from 0.1% to 2% and the percentage of nickel varying within the limits given according to the properties required of the completed alloy, and the percentage of aluminum and / or chromium preferably increasing within the given limits with increasing nickel content.
It is possible to obtain the hardening effect by different heat treatments depending on the composition of
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the alloy. All alloys, for example, are obtained in the mild state by heating to a temperature of 700 C to 1100 C., which is the temperature of the hot solution, followed by abrupt cooling. Alloys containing higher nickel contents,
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for example from 30% to 40%, can also be obtained in a soft state by cooling them at lower speeds. Alloys in the mild state, obtained by one of these cooling routes, can be hardened by subsequently reheating at a t0p (temperature due to 400 C. to 650 C.
In addition, all alloys according to the invention can be hardened by a single treatment of heating the alloy to a temperature of 700 C. to 1100 C. followed by cooling to a temperature of 700 C. to 1100 C. rate which is 11ter-in-'e per composition, the rate of cooling decreases with the increase in copper content.
In addition to the hardening obtained by the tr = .ite..ent th2r! '1iC'ue mentioned above, a harder hardening can still be obtained by cold working the alloy in its soft state, then by heating it. at temperatures varying from 400 C. to 650 C.
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Before the composition of the alloy and the ouantitr of cold tr, -vqil auouel it was submitted.
In alloys with a nickel content between 15%
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and 21% it is preferable that the content of al1-1dniu'1l is between 1% and 3, and that of chromium between 0.125 -, -. and 0.75 '. With a higher nickel content between 32% and 30% it is better to increase the. chromium content to bring it between 0 ,? ' and the. With an even higher nickel content, from :: '1' "up to a maximum of 40%, the chromium content can be further increased to stay between 0.5% and 2%.
Other elements can still be added to the alloys according to the invention, without materially affecting the beneficial influence of chromium in combination with nickel and aluminum. Thus, any of the elements such as manganese, magnesium, iron, silica, cobalt or zinc can be present as
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intentional or impurity additions in alloys of this type in amounts which preferably should not deplete 5% of each element and, in general, should be much less than this amount.
Table 1 gives examples of compositions of allia-
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ges according to the invention, with additional alloy compositions, but without the addition of chromium.
TABLE I.
Composition in% by weight.
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<tb> Alloy
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N. <SEP> Cu <SEP> Ni <SEP> Al <SEP> Cr
<tb>
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¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯..¯¯. ###. ¯¯¯¯¯¯¯¯
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<tb> 1 <SEP> 83.0 <SEP> 15.0 <SEP> 2.0 <SEP> -
<tb>
<tb> 2 <SEP> 82.5 <SEP> 15.0 <SEP> 2.0 <SEP> 0.5
<tb>
<tb> 3 <SEP> 70.2 <SEP> 28.3 <SEP> 1.5
<tb>
<tb> 4 <SEP> 70.2 <SEP> 27.8 <SEP> 1.5 <SEP> 0.5
<tb>
<tb> 5 <SEP> 58.0 <SEP> 40.0 <SEP> 2.0 <SEP> -
<tb>
<tb> 6 <SEP> 57.5 <SEP> 40.0 <SEP> 2.0 <SEP> 0.5
<tb>
To illustrate the influence of the different forms of treatment of the alloys given in this table, the pllipges falling within the scope of the present invention, namely the alloys
2,4 and 6,
by sudden cooling in water with a temperature of 850 C. were softened and had a hardness at the diamond pyramid of 135,140 and 146 respectively. It has been found, however, that alloys having a high nickel content can be
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brought to a soft state by cooling much more slowly.
Thus, in the case of alloy No. 4, if a solution heated to a temperature of 850 C is cooled in 3/2 hours at room temperature, the alloy has a diamond pyramid hardness of 156.
These alloys, whether brought to the soft state by abrupt cooling with water or by slow cooling, from the temperature of hot solution, were annealed by heating to a temperature of about 500 C, the hardness being raised by this treatment to 234, 235 and 256 PD for the alloys n. 2.4 and 6 respectively. For comparison, the hardnesses of the corre- sponding alloys 1, 3 and 5 without the addition of chromium, after identical heat treatment, were only 216, 205 and 210 P. D., respectively.
Under similar conditions of slow cooling, for example after cooling in 3/2 hours from about 850 ° C. to room temperature, the alloy No. 2 containing 15% nickel was found to have a hardness of. the maximum diamond pyramid of 236, this being in substance the same hardness as that obtained by the two-phase heat treatment described in the preamble. Alloy n. 4. containing 27.8% nickel, on the other hand, remained soft after this heat treatment and had a diamond pyramid hardness of 156.
In order to bring this alloy (n. 4) to a state of maximum hardness it was necessary to prolong the cooling up to about 8 hours, or otherwise to subject the alloy to a two-phase heat treatment comprising: 'softening and reheating of the softened alloy to a temperature of about 500 C. This illustrates the very considerable influence of the nickel content on the hardening of the alloys, due to the variation of the cooling rate. from the temperature of the hot solution, and therefore it is observed with the aluminum or chromium contents substantially constant, an increase in the nickel content of the alloys corresponds to a greater range of cooling times to result in softening.
As an example of the effect of cold working on the alloys according to the invention, alloy no. 4, when cooled slowly from 850 C and then subjected to a reduction of 75% of its surface. by cold working and annealing with heating for two hours at 500 C., gave a hardness to the diamond pyramid of 359. To compare, the complementary alloy n. 3, with exactly the same treatment, had a hardness to the diamond pyramid of only 304; this clearly demonstrates the beneficial effect of the addition of chromium.
Another advantage of the addition of chromium to these alloys is that it makes it possible to retain tensile strength at elevated temperatures to a much greater extent than was possible with copper alloys containing. hitherto known nickel and aluminum. This effect is clearly illustrated by Table 2, which gives the comparison, between the tensile strengths between alloys 3 and 4, respectively containing no chromium and 0.5% chromium. In each case the alloys were suddenly cooled in water from a temperature of 850 C. and annealed with heating for two hours at a temperature of 600 C.
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TABLE 2.
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Temperature: Allīa e n .3 ¯ .lli ^ ge n¯ .4¯ of the test. 28.3% Ni. 1.5c Al: 27.8 "Ni. 1.5; 0 Al. 0.5" Cr.
C. remains Cu ¯ remains Cru: Rés1stanëTaïï n: -: RèsIstanëë - T-dTa11 nge-: à la trac-. gement sur: à la trac-. lying on: tinn in Kj3R 1'1. Hnn on 5.08 cm.
¯¯¯.¯¯¯ "K / mmS¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯K.gZmm3¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
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<tb> Temperature
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ordinary <SEP> 66.682 <SEP> 23.0 <SEP> 80.061 <SEP> 21.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 250 <SEP> 47.479 <SEP> 12.0 <SEP> 64.006 <SEP> 6.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 400 <SEP> 42.342 <SEP> 4.5 <SEP> 5?, 980 <SEP> 3.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 450 <SEP> 38.563 <SEP> 3.0 <SEP> 51.573 <SEP> 3.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 500 <SEP> 36.202 <SEP> 2.0 <SEP> 46.692 <SEP> 2.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 550 <SEP> 34.313 <SEP> 1.0 <SEP> 42.757 <SEP> 1.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 600 <SEP> 32,107 <SEP> 2,0 <SEP> 78,720 <SEP> 2,0
<tb>
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650 2s, 610 4.0 57.054 1.0
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<tb> 700 <SEP> 17.941 <SEP> 8.0 <SEP> 28.489 <SEP> 4.0
<tb>
<tb> 750 <SEP> 18.888 <SEP> 7.0
<tb>
It has been observed that the alloys mentioned above can
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be easily poured, and worked hot or cold,
For example, by extruding, pressing, lan'in-e, stretching etc, and they can therefore be used in a variety of ways.
The constant hardness of these alloys makes them particularly suitable for the manufacture of tools which do NOT give
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sparks while their resistance and their Ferret, ', co'-1; 1'1' cs with their resistance to 1p corrosion, r? nd possible their use in systems of 4changers therinu,: either fl; Ti = - Conditions involving an erosive action due to solid matter in
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suspension in the circulating medium. Other remarkable properties, such as resistance to oxidation and scaling, combined with retention of resistance to SOOOC tM1pfrr tures. at 600 C., should lead to their employment in the field of small industries. More specific applications include their use for turbine blading and valves in high load systems.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
1) A method of manufacturing hard copper alloys, characterized in that an alloy is subjected to a heat treatment necessary to bring about the hardening by annealing where, by precipitation, said alloy consists essentially of copper and nickel , aluminum and chromium, the nickel content being from 15% to 40%, the aluminum content from 0.5% to 4, '.!, and the chromium content from 0.1% to 2%.