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Aluminiumbronzelegierung mit verbesserter Beständigkeit gegen Korngrenzenoxydation
Diese Erfindung betrifft eine Aluminiumbronzelegierung mit erhöhter Beständigkeit gegenüber Korngrenzenoxydation unter Spannung in heissem Wasser oder Wasserdampf.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Aluminiumbronzelegierung mit erhöhter Beständigkeit gegen- über Korngrenzenoxydation unter Spannung in heissem Wasser oder Wasserdampf vor, die, in Gewichts-
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Kupfer, besteht.
Es ist bekannt, dass fast alle Kupferlegierungen, wenn sie in bestimmten korrodierenden Medien belastet werden, eine besondere Art von Oxydation erfahren, die in der Fachsprache allgemein als interkristalline oder Korngrepzenoxydation bezeichnet wird. Der Ausdruck interkristalline Oxydation bezieht sich auf das spontane Zerbrechen bzw. Spalten eines Metalls, das in Berührung mit einem Korrosionsmittel und unter restlicher oder aufgelegter Spannung steht. Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Eigenschaften von Aluminiumbronzelegierungen, die interkristalline Oxydation erleiden, wenn sie in hei- ssem Wasser oder Wasserdampf belastet werden.
Es wurde gefunden, dass die Oxydation oder der Bruch einer Aluminiumbronzelegierung unter der Einwirkung von Spannung und korrodierendem heissen Wasser oder Wasserdampf eine Folge der interkristallinen bzw. Korngrenzenkorrosion ist. Es ist anzunehmen, dass der Grund für diesen interkristallinen Angriff der ist, dass die Aluminiumatome an den Korngrenzen stärker konzentriert sind als in den Körnern selbst.
Das liegt wahrscheinlich daran, dass die Aluminiumatome eine negative elastische Energiewechselwirkung mit erweiterten Korngrenzenbereichen zeigen ; die grösseren Aluminiumatome werden daher an den Korngrenzen angehäuft und sind dort der Oxydation zugänglich.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass die Beständigkeit bzw. der Widerstand einer a-Phasen-Aluminiumbronze gegen Korngrenzenoxydation bei Einwirkung von Dampf oder heissem Wasser durch Zusatz kleiner Mengen Silber zu der Legierung erhöht werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Silbermenge innerhalb eines bestimmten Verhältnisses zu dem Aluminiumgehalt in der Legierung gehalten wird.
Genauer gesagt, soll das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silber etwa 35 : 1 betragen, was einem Silbergehalt von 0, 11 bis 0, 35% bei 5,0 bis 8, 0% Aluminium in der Legierung entspricht. Es wurde gefunden, dass Aluminiumbronzelegierungen, die das angegebene Verhältnis von Aluminium zu Silber aufweisen, bedeutend beständiger gegen Korngrenzenoxydation unter Spannung in heissem Wasser und Dampf sind, weil die Silberatome, die grösser als Aluminiumatome sind, eine grössere negative elastische Energiewechselwirkung mit ausgedehnten Kornbereichen haben als Aluminiumatome und daher dazu neigen, die Aluminiumatome in den Korngrenzen zu ersetzen.
Es ist wahrscheinlich auf die geringe Bildungswärme der Oxyde des Silbers zurückzuführen, dass die Korngrenzen der silberhaltigen Aluminiumbronzelegierungen einen ungewöhnlichen Widerstand gegenüber interkristallinem Angriff unter Spannung in Dampf und heissem Wasser zeigen.
Es wurde als notwendig erkannt, dass die verbesserte Legierung ein ganz bestimmtes Verhältnis von Silber-zu Aluminiumgehalt erhält. Dies ist wahrscheinlich auf den theoretisch zu erwartenden, zusätzlichen Einfluss der räumlichen Entropie zurückzuführen, zu der die Aluminium- und Silber atome beitra-
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miniumatomen um die Korngrenzenbereiche, und die Möglichkeit, eine Korngrenze oxydationsbestärdig zu halten, hängt davon ab, dass das Verhältnis von Aluminium- zu Silbergehalt auf einem ganz bestimmten Wert gehalten wird.
Silber ist bereits in zahlreichen Fällen in kleinerer Menge als Zusatz zu Kupfer-und kupferhaltigen Legierungen verwendet worden. Bisher wurde jedoch noch nicht die Verwendung von Silber als Legierungsbestandteil für Kupfer in Aluminiumbronzelegierungen in einem ganz bestimmten Verhältnis zu dem Aluminiumgehalt beschrieben oder vorgeschlagen, um den Angriff an den Korngrenzen unter Spannung in heissem Wasser oder Wasserdampf als Umgebung wesentlich herabzusetzen. Silber wurde bisher hauptsächlich in Verbindung mit Kupfer verwendet, um die mechanischen Eigenschaften von Legierungen für elektrische Leitungen und das Rekristallisationsvermögen von Kupfer zu verbessern.
Dagegen schlägt die vorliegende Erfindung eine a-Phasen-Aluminiumbronzelegierung mit erheblich verbesserter Beständigkeit gegenüber interkristalliner Oxydation unter Spannung in heissem Wasser und Dampf vor, indem ein ganz bestimmtes Mengenverhältnis von Aluminium zu Silber eingehalten wird. Es wurde gefunden, dass die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäss verbesserten Aluminiumbronze praktisch die gleichen sind, wie die der üblichen Aluminiumbronze ohne Silbergehalt.
Erfindungsgemäss ist der allgemeine Bereich der Gewichtszusammen etxun der Legierung folgender
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 5,0 <SEP> bis <SEP> 8, <SEP> 0 <SEP> % <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> bis <SEP> 2, <SEP> 9 <SEP> %
<tb> Silber <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> %
<tb> (1 <SEP> Gew.-Teil <SEP> Silber <SEP> duf <SEP> 23 <SEP> his <SEP>
<tb> 44 <SEP> Gew.-Teile <SEP> Aluminium) <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Der bevorzugte Zusammensetzungsbereich der Legierung mit Silberzusatz ist folgender :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 6, <SEP> 00 <SEP> bis <SEP> 6, <SEP> 75 <SEP> go <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 2,00 <SEP> bis <SEP> 2, <SEP> 40 <SEP> ulo <SEP>
<tb> Silber <SEP> 0, <SEP> 16bis0, <SEP> 21% <SEP>
<tb> (1 <SEP> Gew.-Teil <SEP> Silber <SEP> auf <SEP> 33 <SEP> bis
<tb> 38 <SEP> Gew.-Teile <SEP> Aluminium) <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Ein Beispiel für eine Legierung mit einem kleinen Silbergehalt, die in die oben angegebenen Bereiche fällt, hat folgenden Gehalt (in Gew. -0/0) :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 6, <SEP> 25 <SEP> glu <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 2, <SEP> 08% <SEP>
<tb> Silber <SEP> 0, <SEP> 18 <SEP> % <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> 91, <SEP> 49 <SEP> % <SEP>
<tb>
Es wurde gefunden, dass eine Legierung - abgesehen von dem Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silber - dann die am meisten erwünschten Eigenschaften hat, wenn der Eisengehalt zu dem Aluminiumgehalt in einem Verhältnis von 1 : 3 gehalten wird. Das Eisen dient als Kornstabilisator und erhöht ferner die Festigkeit der Legierung, insbesondere bei höheren Temperaturen. Das Gewichtsverhältnis zwischen Eisen und Aluminium von 1 : 3 verleiht der Legierung die günstigsten Kornverfeinerungsmerkmale und mechanischen Eigenschaften.
Ausserdem können gegebenenfalls andere Metalle, wie Nickel und Mangan, in Mengen bis zu etwa 0,25% verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften der Legierung zu verbessern.
Alterungshärtende Metalle, wie Silizium, Beryllium u. dgl., sollten in der vorliegenden Legierung vermieden werden. Wenn Nickel allein der erfindungsgemässen Aluminium-Eisen-Kupferlegierung zuge-
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setzt wird, tritt keine Alterungshärtung ein ; wenn aber eine Kombination von Metallen, wie Silizium und Nickel, verwendet wird, unterliegt die Kombination einer Alterungshärtung unter Bildung von Nickelsiliziden, wenn die Legierung beim Schweissen, Verformen od. dgl. erhitzt wird. Die Nickelsilizid2òind ausserordentlich spröde und neigen dazu, sich an den Korngrenzen'niederzuschlagen und anzusammeln.
Dieses Niederschlagen und Ansammeln an der Korngrenze hindert das Silber daran, sich an den Korngrenzen zu konzentrieren und vereitelt damit den Zweck des Silberzusatzes. Die Alterungshärtungsniederschläge können durch ein Lösungsabschrecken von über 8710C entfernt werden, doch ist eine solche Wärmebehandlung mit einem fertigen oder bearbeiteten Gegenstand nicht möglich, weil die Abmessungen des Gegenstandes durch diese Wärmebehandlung verändert werden. Deshalb sollen der vorliegenden Legierung keine Alterungshärtungsbestandteile zugesetzt werden.
Die Legierung wird hergestellt, indem zunächst eine Vorlegierung aus Kupfer, Aluminium und Eisen hergestellt wird. Diese Vorlegierung wird dann mit weiterem Kupfer und Silber legiert und gegossen. Das Silber wird bevorzugt nicht der Vorlegierung zugesetzt, weil ein Teil des Silbers durch Oxydation während des Schmelzens verlorengehen würde und weitere Silbermengen erforderlich wären, um die Konzentration in den gewünschten Grenzen zu halten.
Die vorliegende Legierung kann leicht zu Stäben, Blechen, Platten, Röhren usw. verarbeitet oder als Schweissgrundlage verwendet werden. Die Legierung kann je nach der Zusammensetzung, dem Herstellungsverfahren und der angewendeten Wärmebehandlung eine Streckgrenze von 1406 bis 6327 kg/cm, eine Zugfestigkeit von 2812 bis 8436 kg/cmz und eine Dehnbarkeit für 50, 8 mm von 1 bis 60% haben. So kann z. B. eine Legierung aus 6, 75% Aluminium, 2,10% Eisen, 0,12% Silber, Rest Kupfer, in Form einer 9, 52 mm starken Platte heissgewalzt und angelassen werden, wonach sie eine Zugfestigkeit von 5624 kg/cm, eine Streckgrenze von 2952 kg/cmZ, eine Dehnbarkeit für 50, 8 mm von 38% und eine Brinellhärte von 150 hat.
Die gleiche Legierung hat in Form einer kaltgezogenen Stange von 19,05 mm Durchmesser eine Zugfestigkeit von 5975 kg/cm, eine Streckgrenze von 3866 kg/cm, eine Dehnbarkeit für 50, 8 mm von 30% und eine Brinellhärte von 165.
Die Legierung ist sehr beständig gegenüber interkristallinem Bruch, der als Folge von Oxydation an den Korngrenzen auftritt. Die Legierung ist z. B. mindestens 2000 Stunden lang gegen Bruch an den Korngrenzenflächen beständig, wenn sie mit 1406 bis 3515 kg/cm2 in einer Umgebung von Wasserdampf oder heissem Wasser bei 820 bis 2600 C belastet wird. In manchen Fällen wurde die Legierung 8000 Stunden lang unter den genannten Bedingungen ohne Schäden belastet.
Als ein Beispiel für die erhöhte Beständigkeit d. : r Legierung gegenüber interkristalliner Oxydation bei Belastung in einer Umgebung aus Wasserdampf oder heissem Wasser wurde eine Probe einer Legierung aus 6, 75% Aluminium, 2, 10% Eisen, 0, 12% Silber, Rest Kupfer, über die Streckgrenze hinaus durch Umbiegen in einem Medium aus einem Gemisch einer 51oigenEssigsäure-und einer 81oigen Schwefelsäurelösung bei 1760c belastet. Die Probe ruigte nach 100 Stunden keine Schäden.
Eine zweite Probe von gleicher Zusammensetzung, nur ohne Silberzusatz, wurde unter gleichen Bedingungen untersucht ; sie versagte nach 50 Stunden.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Aluminiumbronzelegierung vor, die eine stark erhöhte Beständigkeit gegenüber interkristalliner Oxydation unter Spannung in Wasserdampf- und Wasserumgebung aufweist. Der Ausdruck "Wasserdampf" soll hier alle gasförmigen Gemische von Wasserdampf und anderen Dämpfen und der Ausdruck "heisses Wasser" soll erwärmte wässerige Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen und andere, Wasser oder Feuchtigkeit als Bestandteile enthaltende Stoffe einschliessen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aluminiumbronzelegierung mit verbesserter Beständigkeit gegen Korngrenzenoxydation unter Spannung in einer Umgebung aus heissem Wasser oder Wasserdampf, dadurch gekennzeichnet, dass sie, in Gewichtsprozenten ausgedrückt, aus 5, 0 bis 8, 0% Aluminium, 1, 6 bis 2, 9% Eisen, 0, 11 bis 0, 35% Silber, Rest Kupfer, besteht.