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Aluminiumbronzelegierung mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzen- oxydation-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumbronzelegierung mit erhöhter Beständigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenoxydation, wenn sie Spannungen in einer Heiss- wasser-oder Dampfatmosphäre ausgesetzt ist.
Nach der Erfindung wird eine Aluminiumbronzelegierung geschaffen, die, auf Gewichts-
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steht. Diese Legierung zeichnet sich durch eine hohe Beständigkeit gegen Korngrenzenbrüchigkeit aus, u. zw. für eine Zeit von mindestens 2000 Stunden, wenn die Legierung bei einer Temperatur von 820 bis 2600 C Spannungen von 1406 bis 3515 kg/. cm2 in einer Dampf- oder Heisswasseratmosphäre ausgesetzt wird.
Es ist bekannt, dass fast alle Kupferlegierungen, wenn sie in bestimmten korrodierenden Medien Spannungen unterworfen werden, eine besondere Art von Oxydation durchmachen, die unter Fachleuten gewöhnlich als Korngrenzenoxydation bezeichnet wird. Diese weist auf eine spontane Rissbildung oder Sprungbildung bei einem Metall hin, das in Berührung mit einem korrodierenden Mittel und unter restlicher oder aufgelegter Spannung steht. Die Erfindung ergibt eine Verbesserung der Eigenschaften von Aluminiumbronzelegierungen, die sonst eine Korngren- zenoxydation bei Spannungs beanspruchungen in Medien von heissem Wasser und Dampf erleiden.
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unter korrodierender Einwirkung von heissem Wasser oder Dampf im wesentlichen an den Korngrenzen erfolgt.
Es ist anzunehmen, dass der Grund für diesen Angriff an den Korngrenzen der ist, dass die Aluminiumatome an den Korngrenzen stärker konzentriert sind als in den Körnern selbst. Wahrscheinlich zeigen die Alumi- niumatome eine elastische negative Energiewechselwirkung mit den erweiterten Korngrenzenbereichen, so dass sich die grösseren Aluminiumatome daher an den Korngrenzen aussondern und dort der Oxydation ausgesetzt sind.
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Rohren, Blechen, Platten u. dgl. verarbeitet werden. In dieser Form wird die Legierung oft Span- nungsbeanspruchungen in einer Heisswasser- oder Dampfatmosphäre. ausgesetzt.
Die Erfindung gründet sich auf die Entdeckung, dass die Widerstandsfähigkeit bzw. Beständigkeit einer a-Phasen-Aluminiumbronzelegie- rung gegen Korngrenzenoxydation bei Einwirkung von Dampf oder heissem Wasser durch Zugabe kleiner Mengen an Zinn und Silber erhöht werden kann. Dies gilt besonders dann, wenn die Menge. an Zinn und Silber innerhalb eines bestimmten Verhältnisses zu dem Aluminiumgehalt in der Legierung vorliegt.
Genauer gesagt, soll der Gesamtgehalt der Legierung an Zinn und Silber einem Verhältnis von etwa 1 Gew. - Teil Zinn und Silber zu 20 Gew.Teilen Aluminium entsprechen. Es wurde festgestellt, dass eine Aluminiumbronze mit dem ange-
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und Silibergeha1tSpannung in heissem Wasser und Dampf aufweist, weil die Zinn-und Silberatome, die grösser als Aluminiumatome sind, eine grössere negative elastische Energiewechselwirkung mit den erweiterten Korngrenzenbereichen haben als Aluminiumatome und daher dazu neigen, die Aluminiumatome in den Korngrenzen zu ersetzen.
Diese Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation ist wahrscheinlich auf die niedrigen Bildungswärmen der Oxyde des Zinns und Silbers zurückzuführen, so dass die Korngrenzen der Zinn und Silber enthaltenden Aluminiumbronzelegierung eine ungewöhnliche Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion unter Spannung in Dampf oder heissem Wasser zeigen.
Es wurde als notwendig erkannt, die verbesserte Legierung mit einem ganz bestimmten Verhältnis des Zinn-und Silbergehaltes zum Aluminiumgehalt herzustellen. Dies ist wahrscheinlich auf den theoretisch zu erwartenden, zusätzlichen Einfluss der Konfigurationsentropie zurückzufüh-
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ren, wozu die Aluminium-, Zinn-und Silberatome beitragen. Das bedeutet, dass es, für eine bestimmte gelöste Atomart um so schwieriger wird, sich an einer Korngrenze auszuscheiden, je geringer ihre Konzentration ist. Die Zinn-und Silberatome treten mit den Aluminiumatomen um die Korngrenzenbereiche in Wettbewerb, und die Möglichkeit, oxydationsbeständige Korngrenzenbereiche zu schaffen, hängt davon ab, dass das Verhältnis des Aluminiumgehaltes zum Gehalt an Zinn und Silber auf bestimmten kritischen Werten gehalten wird.
In zahlreichen Fällen wurde Zinn und Silber in grösseren und ! kleineren Mengen dem Kupfer und seinen Legierungen zugesetzt. Indessen wurde aber bisher eine Verwendung von Zinn als Legierungsbestandteil für Kupfer in Aluminiumbronzelegierungen in einem ganz bestimmten Verhältnis zum Aluminiumgehalt nicht beschrieben oder in. Betracht gezogen, um so den Angriff an den Korngrenzen unter Spannungsbeanspruchung in einer Umgebung von heissem Wasser oder Dampf praktisch zu verhindern. So wurde beispielsweise Zinn neben Nickel zu Messing zugesetzt, wobei aber Zinn mit Nickel eine Verbindung bildet, die bei geeigneter Wärmebehandlung das Messing zu härten vermag. Silber wurde bisher hauptsächlich in Verbindung mit Kupfer benutzt, um die mechanischen Eigenschaften von Legierungen für elektrische Leitungen und die Rekristallisationseigenschaften von Kupfer zu verbessern.
Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine a-Phasen-Aluminiumbronzelegie- rung mit weit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenoxydation unter Spannung in heissem Wasser oder Dampf, indem ein ganz bestimmtes Mengenverhältnis von Aluminium zu Zinn und Silber eingehalten wird. Gemäss der Erfindung werden die mechanischen Eigenschaften der a-Phasen-Aluminiumbronzelegierung beibehalten, gleichzeitig aber wird die Beständigkeit der Legierung gegen einen Korngrenzenangriff erhöht.
Der allgemeine Bereich der erfindungsgemäss zusammengesetzten Legierung ist, gewichtsmässig ausgedrückt, folgender :
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<tb> Aluminium <SEP> 5, <SEP> 0-8, <SEP> 00/o <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 1,6-2,9%
<tb> Zinn-Silberlegierung <SEP> 1 <SEP> Gew.-Teil <SEP> Legierung
<tb> zu <SEP> 11-44Gew.-Teilen
<tb> Aluminium
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Der bevorzugte Zusammensetzungsbereich der Legierung ist folgender :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 6, <SEP> 00-6, <SEP> 75 <SEP> 0f0 <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 2, <SEP> 00-2, <SEP> 40 <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Zinn-Silberlegierung <SEP> 1 <SEP> Gew.-Teil <SEP> Legierung
<tb> zu <SEP> 18-27 <SEP> Gew.-Teilen
<tb> Aluminium
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Die für die vorstehenden Legierungsbereichf genannte Zinn-Silber-Legierung ist wie folgt zusammengesetzt :
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<tb>
<tb> Zinn <SEP> zozo
<tb> Silber <SEP> Rest.
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für die erfindungsgemässe Legierung daher folgender Zusammensetzungsbereich :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 5,0-8,0%
<tb> Eisen <SEP> 1, <SEP> 6-2, <SEP> 90/0 <SEP>
<tb> Zinn <SEP> 0, <SEP> 005-0, <SEP> 69 <SEP> 0f0 <SEP>
<tb> . <SEP> Silber <SEP> 0, <SEP> 005-0, <SEP> 69"/o <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Bei Umrechnung des bevorzugten Zusammensetzungsbereichs auf Gewichtsprozente ergibt sieb folgendes :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 6, <SEP> 00-6, <SEP> 75 <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Eisen <SEP> 2, <SEP> 00-2, <SEP> 40"/o <SEP>
<tb> Zinn <SEP> 0, <SEP> 01-0, <SEP> 36"/o <SEP>
<tb> Silber <SEP> 0, <SEP> 01-0, <SEP> 36"/o <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> Rest.
<tb>
Ein spezifisches Beispiel einer Legierung inner.
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<tb>
<tb> -0f0 <SEP> :Aluminium <SEP> 6, <SEP> 250/6
<tb> Eisen <SEP> 2, <SEP> 08 <SEP> 0f0 <SEP>
<tb> Zinn <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> %
<tb> Silber <SEP> 0, <SEP> 15 <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Kupfer <SEP> 91, <SEP> 366/0
<tb>
Es wurde festgestellt, dass eine Legierung, au@er dem Verhältnis von Aluminium zu Zinn und Silber dann die besten erwünschten Eigenschafter erzielen lässt, wenn der Eisengehalt zu dem Alu- miniumgehalt in einem Verhältnis von 1 :
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der Legierung, besonders bei höheren Temperaturen. Das Verhältnis von 1 : 3 von Eisen zu Aluminium ergibt eine Legierung mit den am meisten erwünschten Kornverfeinerungsmerkmalen und mechanischen Eigenschaften.
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zugesetzt werden, um die mechanischen Eigenschaften der Legierung gewünschtenfalls noch weiter zu verbessern.
Alterungshärtende Metalle wie Silizium, Beryllium u. dgl. sollten in der erfindungsgemässen Legierung nicht benützt werden. Wird Nickel allein in die erfindungsgemässe Aluminium-EisenKupferlegierung eingeführt, dann ruft es keim Alterungshärtung hervor. Verwendet man abel eine Kombination von Metallen, wie von Silizium und Nickel, dann wird eine Alterungshärtung unter Bildung von Nickelsiliziden bewirkt sobald die Legierung beim Schweissen, Verformer od. dgl. erhitzt wird. Die Nickelsilizide sind au-
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15sserordentlich spröde und neigen dazu, sich an den Korngrenzen niederzuschlagen und anzusammeln.
Diese Neigung des alterungshärtenden Niederschlages, sich an den Korngrenzen anzusammeln, hindert offenbar das Zinn und Silber an einer Ausscheidung an den Komgrenzen und macht den Zweck der Zinn-und Silberzugabe zunichte. Die alterungshärtenden Niederschläge kann man durch ein Lösungsabschrecken von über 8710 C herunter entfernen ; eine derartige Hitzebehandlung kann man aber nicht an einem fertigen oder endgültig bearbeiteten Gegenstand durchführen, weil durch diese Wärmebehandlung die Abmessungen bzw. die Toleranzen des Gegenstandes verändert würden. Daher soll man bei der erfindungsgemässen Legierung, alterungshärtende Bestandteile vermeiden.
Die Legierung stellt man zweckmässig so her, dass man zuerst eine Vorlegierung aus Kupfer, Aluminium und Eisen bildet, die man dann mit weiterem Kupfer, Zinn und Silber legiert und vergiesst. Man setzt zu der Vorlegierung vorzugsweise deshalb kein Zinn und Silber zu, weil ein Teil dieser Metalle während des Schmelzens infolge Oxydation verloren gehen würde und zusätzliche Mengen an Zinn und Silber wieder eingeführt werden müssten, um deren Konzentration innerhalb der gewünschten Grenzen zu halten.
Die erfindungsgemässe Legierung kann man leicht zu Stäben, Blechen, Platten, Rohren u. dgl. verarbeiten oder als Schweissgrundlagen ben'it- zen. Die Legierung kann je nach der Zusammensetzung, der Herstellungsweise und der angewen- , deren Wärmebehandlung so hergestellt werden, dass sie eine Streckgrenze von 1406 bis 6327kg/cm2, eine Zugfestigkeit von 2812 bis 8436 kg/cm2 und eine Dehnung für 50, 8 mm von l"/e bis 60010 aufweist. So kann beispielsweise eine Legierung aus 6, 25% Aluminium, 2, 10% Eisen, 0,22 % Zinn, 0,08% Silber, Rest Kupfer in Form einer 9, 52 mm dicken Platte heiss gewalzt und angelassen werden, wonach sie eine Zugfestigkeit von 5624 kg/cm2, eine Streckgrenze von 2952 kg/cm2, eine Dehnung für 50, 8 mm von 380f0, und eine Brinellhärte von 150 hat.
Dieselbe Legierung weist in Form eines kalt gezogenen Stabes (19, 05 mm Durchmesser) eine Zugfestigkeit von 5975 kg/cm2, eine Streckgrenze von 3866 kg/cm2, eine Dehnung für 50, 8 mm von 30"/o und eine Brinellhärte von 165 auf.
Für eine Schweissgrundlage wird z. B. eine Legierung benutzt, die aus 7, 0010 Aluminium, 2, 40/0 Eisen, 0, 25 % Zinn, Rest Kupfer besteht. Eine Probe aus dieser Legierung, die durch eine stumpf aneinanderstossende Verbindungsschweissung genommen wird, hat eine Zugfestigkeit von 5272 kg/cm2, eine Streckgrenze von 2460'kg/cm2, eine Dehnung für 50, 8 mm von 25"/o und eine Brinellhärte von 150.
Die Legierung zeigt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenbrüchigkeit, die eine Folge einer Oxy. dation an den Korngrenzen ist.
So ist die Legierung beispielsweise mindestens 2000 Stunden lang gegen Korngrenzenbrüchig-
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einer Dampfatmosphäre ausgesetzt wird. In einigen Fällen hält die Legierung unter den obigen Bedingungen 8000 Stunden lang der Belastung ohne Versagen stand.
Als Beispiel für die erhöhte Beständigkeit der Legierung gegenüber interkristalliner Oxydation bei Spannungsbeanspruchung in einer Umgebung von heissem Dampf oder Wasser wird. eine Probe einer Legierung aus 6, 00% Aluminium, 2, 20% Eisen, 0, 22 % Zinn, 0, 08'0/0 Silber, Rest Kupfer, über die Streckgrenze hinaus mittels Durchbiegung beansprucht, u. zw. in einem Medium aus
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feiger Essigsäure1760 C. Die Probe weist nach 1000 Prüfstunden keine Bruch- oder Zerstörungserscheinungen auf.
Eine zweite Probe gleicher Zusammensetzung, aber ohne Zinn-und Silberzusatz, die unter identischen Bedingungen belastet wird, versagt bereits nach 80 Prüfstunden.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer Aluminiumbronzelegierung mit weitgehend verbesserter Beständigkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenoxydation unter Spannungsbeanspruchung in Dampf- und Wasserum- gebung. In dem Ausdruck "Dampf" sollen gasförmige Gemische von Dampf und andern Damp. farten mit eingeschlossen sein und die Bezeichnung heisses Wasser" soll auch erhitzte wässerige Lösungen von Salzen, Säuren oder Basen und andere, Wasser oder Feuchtigkeit als Bestandteil enthaltende Stoffe umfassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aluminiumbronzelegierung, mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenoxydation unter Spannung in einer Umgebung aus heissem Wasser oder Wasserdampf, dadurch gekennzeichnet, dass sie, auf Gewichtsmengen bezogen, aus