DEI0000596MA - Kupferlegierung und Verfahren zu deren Wärmebehandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel und Mangan enthaltende Kupferlegierung und auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Legierungen, welche aus Kupfer, Nickel und einem oder mehreren der Metalle Eisen, Chrom, Molybdän, Kobalt, Mangan, Vanadium oder Wolfram bestehen, sowie Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der Eigenschaften dieser Legierungen sind bereit bekannt geworden. Gemäss dem britischen Patent Nr. 571.170 der Anmelderin werden harte Kupferlegierungen dadurch erhalten, dass man die Kupferlegierungen einer Wärmebehandlung unterwirft, um eine Ausscheidungshärtung zu bewirken, wobei diese Legierungen einen Nickel- und Mangangehalt von je 5 bis 30%, zweckmässig in wesentlichen gleicher Höhe aufweisen; diese Legierungen können auch ein oder mehrere Zusatzelemente, wie Aluminium, Magnesium, Phosphor, Chrom, Silber, Silizium, Barium, Kalzium, Kadmium oder Zinn enthalten.

Die Legierung gemäss vorliegender Erfindung besteht aus 5 bis 30% Nickel, 5 bis 30% Mangan, 0,05 bis 5% Eisen, Rest Kupfer. Nickel und Mangan sich dabei vorteilhaft in praktisch gleichen Mengen vorhanden.

Mann kann diese Legierungen in Mengen bis zu 5% eines der Elemente Magnesium, Phosphor, Chrom, Silber, Barium, Kalzium, Kadmium oder Zinn zusetzen, wobei es zweckmässig ist, geringere mengen dieser Elemente anzuwenden. Die Gesamtmenge dieser zusätzlichen Elemente soll zweckmässig nicht 10% übersteigen.

Die gemäss vorliegender Erfindung erhaltenen Legierungen sind deshalb besonders wertvoll, weil sie sowohl in weichem als auch in gehärtetem Zustand hervorragende Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Meerwasser, aufweisen. Dabei ist die Härte in ausgehärtetem Zustand grösser als dies bisher bei Kupferlegierungen dieser Art erreicht wurde. Das Mass der Härte und der Korrosionsbeständigkeit ist dabei von der Art der Wärmebehandlung abhängig. So weisen die weichen Legierungen die grösste Korrosionsbeständigkeit auf. Selbstverständlich wird durch geeignete Handhabung der Wärmebehandlung die Möglichkeit geschaffen, eine Legierung zu erzeugen, welche Mittelwerte in Bezug auf Härte oder Weichheit und Korrosionsbeständigkeit ergeben, so dass demzufolge die Legierungen für unzählige Zwecke sich als geeignet erwiesen.

Zur Erreichung höchster Korrosionsbeständigkeit unterzieht man die Legierung einer Lösungsglühung, bei welcher die Legierung auf eine unterhalb ihrem Schmelzpunkt, zweckmässig jedoch nicht unterhalb 750° liegenden Temperatur erhitzt und hierauf abgeschreckt wird, um sie in weichem Zustand zu erhalten. Die untere Grenze der Lösungsglühtemperatur nimmt mit zunehmendem Mangan- und Nickelgehalt zu. Die bevorzugte Lösungstemperatur liegt bei 750 - 850°, doch kann es in manchen Fällen, insbesondere bei Anwesenheit von gewissen Verunreinigungen in der Legierung, erforderlich sein, die Lösungstemperatur auf 850 - 950° zu erhöhen. Die Lösungsglühtemperatur ändert sich ebenfalls in geringem Masse je nach der Zusammensetzung der Legierung. Während man bei höheren Lösungsglühtemperaturen die höchste Härtesteigerung beim nachträglichen Anlassen erreicht, womit aber eine Kornvergrösserung verbunden ist, wird andererseits ein weicheres Material erzielt, was in vielen Fällen für die Zwischenstufe beim Kaltwalzen von Vorteil sein kann. Es wurde festgestellt, dass bei der bevorzugten Temperatur die Lösungsbehandlung innerhalb 2 Stunden beendet ist, während bei einer höheren Lösungstemperatur die Behandlungsdauer herabgesetzt werden kann, so dass beispielsweise bei 900° eine Zeitdauer von einer Stunde genügt. Anstatt die Legierungen abzuschrecken, kann man sie in langsameren Masse kühlen, doch muss die Kühlung dennoch genügend rasch erfolgen,

um eine Uebersättigung zu sichern. So kann man beispielsweise die Legierung von der Lösungstemperatur auf eine Zwischentemperatur von beispielsweise 600 bis 750° dermassen abkühlen, dass die Uebersättigung aufrecht erhalten bleibt, beispielsweise um je 5 bis 25° pro Minute, worauf eine rasche Abkühlung auf Zimmertemperatur erfolgen kann. Wünscht man harte Legierungen zu erhalten, so unterwirft man die Legierung nach der Lösungsglühung und nach dem Abschrecken auf Raumtemperatur einer Ausscheidungshärtung durch Anlassen auf 300 bis 600°; der Härtegrad hängt dabei von der Einwirkungsdauer und der Anlasstemperatur ab, die ihrerseits von der Zusammensetzung der Legierung abhängt. Man kann die Legierungen auch durch eine einstufige Wärmebehandlung härten, indem man die Legierungen auf eine Temperatur zwischen 750° und dem Schmelzpunkt der Legierung erhitzt und hierauf dermassen langsam kühlt, beispielsweise 5 bis 50° pro Minute, dass ein Erhärten erreicht wird; die Geschwindigkeit der Abkühlung hängt von der Zusammensetzung der Legierung ab, doch kann angegeben werden, dass im allgemeinen die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit mit zunehmenden Nickel- und Mangangehalt abnimmt und je nach dem anfänglichen Uebersättigungsgrad variieren kann. Die schliesslich erreichte Härte der Legierungen kann in geeigneter Weise durch Kaltbearbeitung der Legierung in ihrem weichen Zustand und durch erneutes Erhitzen auf 300 bis 600 je nach Beschaffenheit der Legierung und je nach der Kaltbearbeitung, der sie unterworfen wird, verbessert werden.

Bei der Herstellung der Legierungen kann das Mangan entweder in Form von elektrolytisch erhaltenem Mangan oder von hochgradigem, im Handel käuflichem Mangankupfer zur Anwendung gelangen. Die Legierungen können in geeigneter Weise durch Zusammenschmelzen der Bestandteile unter einer Kohlenschicht und einem geeignetem Flussmittel, z.B. Kryolith, unter nachträglicher Zugabe einer geeigneten Menge eines Desoxydierungsmittels, wie Magnesium, hergestellt werden.

Durch den Eisengehalt wird insbesondere eine kleinere Korngrösse und ein geringeren Kornwachstum, sowie eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser, verglichen mit entsprechenden, kein Eisen enthaltenden Legierungen, erreicht. Eine weitere wichtige Wirkung des Eisens ist, dass die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen im abgeschreckten Zustand auch nach dem Anlassen behalten wird. So kann man Legierungen in abgeschrecktem Zustand zur Erreichung besonders hoher Korrosionsbeständigkeit unter normalen Meewasserkorrosionsbedingungen verwenden, während bei Korrosions-Ersosionsbeanspruchung die Anwendung der Legierungen in angelassenem oder teilweise angelassenem Zustand vermöge der erhöhten Härte und der gleichzeitig verhältnismässig geringen Einbusse an Korrosionsbeständigkeit zu besten Resultaten führt. Hinsichtlich der Korngrösse ist die Wirkung der Zugabe von Eisen in jenen Legierungen, welche 15% oder weniger Nickel und Mangan enthalten, besonders augenscheinlich, da grössere Mengen dieser Metalle eine verminderte Korngrösse der Legierung zur Folge haben.

In der Tabelle 1 werden Beispiele von erfindungsgemässen Legierungszusammensetzungen und entsprechender eisenfreier Legierungen wiedergegeben unter Angabe von Werten für die Korngrösse nach einer Lösungsglühung bei 800° während 2 Stunden. Daraus kann die beachtenswerte Wirkung bei Anwesenheit von Eisen auf die Korngrösse ersehen werden, und zwar insbesondere im Falle von Legierungen mit niedrigerem Gehalt an Nickel und Mangan.

In Tabelle 2 wird die Korrosionsbeständigkeit einiger der in Tabelle 1 aufgezählten Legierungen gezeigt. Die Legierungen wurden während 600 Stunden in umlaufendes Meerwasser eingetaucht und der Gewichtsverlust einerseits bei Legierungen, welche einem Lösungsglühen und Kaltwalzen unterworfen wurden, andererseits bei Legierungen, welche einem Lösungsglühen, Kaltwalzen und Anlassen unterworfen wurden, festgestellt. Daraus kann die vorteilhafte Wirkung durch Zugabe von Eisen sowohl auf die Verringerung der Korrosion der Legierungen überhaupt als auch auf das Aufrechterhalten der Korrosionsbeständigkeit in gehärtetem Zustand ersehen werden.

Ausserdem ist die härtende Wirkung beim Kaltwalzen der Eisen enthaltenden Legierungen etwas grösser als wenn kein Eisen vorhanden ist; ferner wird ebenfalls eine verbesserte optimale Härte bei der Wärmebehandlung der Legierungen mit oder ohne Kaltwalzen bewirkt. Ein weiterer Vorteil bei der Zugabe von Eisen besteht darin, dass die Geschwindigkeit der Härtezunahme in den ersten Stufen der Ausscheidungshärtungsbehandlung erfolgt.

Diese Verbesserungen werden ohne nachteilige Folgen auf die Zugfestigkeit erreicht, welche beim Anlassen der Legierungen erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil der Anwesenheit von Eisen ist darin zu erblicken, dass dadurch die nachteiligen Wirkungen des Siliziums, wenn es als Verunreinigung in Mengen von mehr als 0,1% vorhanden ist, auf die Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit der Legierungen vermieden werden.

Es wurde festgestellt, dass besonders wertvolle Eigenschaften mit Legierungen aus 7 bis 17% Nickel, 7 bis 17% Mangan, etwa 0,5% Eisen, Rest Kupfer, erzielt werden.

Die Legierungen können in welchem Zustand leicht verarbeitet werden, z.B. durch spanlose Verformung oder spanabhebende Bearbeitung, und eignen sich insbesondere zur Anwendung bei mittleren Temperaturen unter korrosiven Bedingungen, so dass sie besonders wertvoll für die Herstellung von Kondensatorrohren, Laufrädern und ähnlichen Gegenständen sind, die derartige Eigenschaften besitzen müssen.

Claims (11)

1.) Legierungen, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung: 5 bis 30§ Nickel, 5 bis 30% Mangan, 0,05 bis 5% Eisen, Rest Kupfer.

2.) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Nickel und Mangan in gleichen Mengen enthält.

3.) Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das sie 7 bis 17% Nickel, 7 bis 17% Mangan, 0,5% Eisen enthält.

4.) Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem noch mindestens eines der Elemente Magnesium, Phosphor, Chrom, Silber, Barium, Kalzium, Kadmium und Zinn enthält, wobei ein jedes dieser Elemente in einer Menge von höchstens 5% vorhanden ist, jedoch die Gesamtmenge dieser Elemente höchstens 10% beträgt.

5.) Verfahren zur Wärmebehandlung von Legierungen nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungen einer Lösungsglühung bei einer zwischen 750° und deren Schmelzpunkt liegenden Temperatur unterzogen und abgeschreckt wird.

6.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungen im Anschluss an die Lösungsglühung statt abgeschreckt zu werden in zwei Stufen auf Zimmertemperatur gekühlt wird, indem sie zuerst auf eine Zwischentemperatur mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, welche zur Aufrechterhaltung der Uebersättigung ausreicht und hierauf rasch auf Zimmertemperatur gekühlt wird.

7.) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Abkühlung auf Zimmertemperatur die Legierung kaltbearbeitet wird.

8.) Verfahren zum Härten von Legierungen nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Legierungen einer Lösungsglühung bei einer zwischen 750° und ihrem Schmelzpunkt liegenden Temperatur unterzogen wird, hierauf auf Zimmertemperatur dermassen abgekühlt wird, dass die Uebersättigung aufrechterhalten bleibt und anschliessend erneut auf 300 bis 600° erhitzt wird.

9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach der Lösungsglühung in zwei Stufen auf Zimmertemperatur mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, welche zur Aufrechterhaltung der Uebersättigung ausreicht, hierauf auf Zimmertemperatur abgeschreckt und dann auf 300 bis 600° angelassen wird.

10.) Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in ihrem weichen Zustand vor der erneuten Wärmebehandlung kaltbearbeitet wird.

11.) Verfahren zum Härten von harten Kupferlegierungen nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungen einer Lösungsglühung bei einer zwischen 750° und ihrem Schmelzpunkt liegenden Temperatur unterzogen w und danach mit einer solchen Geschwindigkeit abgekühlt wird, dass eine Ausscheidungshärtung eintritt.