AT394057B - Legierung auf kupferbasis zur gewinnung von aluminium-beta-messing, das korngroessenreduktionszusaetze enthaelt - Google Patents

Description

AT 394 057 B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallegierung auf Kupferbasis, insbesondere zur Gewinnung von Aluminium-Beta-Messing.

Im Speziellen bezieht sich die Erfindung auf Legierungen, die Zink und Aluminium in solchen Mengen enthält, daß ein Messing gebildet wird, das nach einer geeigneten Hochtemperatur-Homogenisierungsbehandlung und Temperung durch eine kristalline Struktur vom Beta-Typ charakterisiert ist; insbesondere betrifft die Erfindung eine Legierung dieses Typs, die auch weitere Legierung bildende Elemente enthält, deren Funktion es ist, die Korngröße der Legierung selbst zu reduzieren.

Es ist bekannt, daß Legierungen des Cu-Zn-Al-Systems mit bestimmter Zusammensetzung nach einer geeigneten Lösungswärmebehandlung und Tempern eine Struktur vom Beta-Typ aufweisen, die als "Aluminium-Beta-Messinge" bezeichnet werden. Diese Messingarten sind insbesondere interessant wegen ihrer besonderen physikalischen und mechanischen Eigenschaften wie einer hohen Kapazität für Dämpfung, pseudo-elastischen oder superelastischen Effekts und des Gedächtniseffekts, und zwar sowohl des irreversiblen oder "Einbahn"-Effekts als auch des reversiblen oder "Zweiwege"-Effektes. Diese letztere Eigenschaft qualifiziert derartige Legierungen insbesondere zur vollen Bezeichnung von SME, nämlich des "Gedächtniseffekts" (von englisch; shape memory effect) oder des Formgedächtnisses.

Wie gleichermaßen bekannt ist, sind diese Eigenschaften und insbesondere der Gedächtniseffekt mit einer martensitischen Übergangsphase vom thermoelastischen Typ auf der Grundlage der Bildung und dem Wachstum innerhalb der "Beta"-Struktur von martensitischen Blechen oder Platten verbunden. Diese Phasentransformation ist reversibel und wird durch die Temperatur und den elastischen Spannungszustand des Materials gesteuert Beim Fehlen von mechanischen Spannungen ist sie durch zwei Paare von Anfangs- und Endtransformationstemperaturen gekennzeichnet, die jeweils entsprechend mit Ms und Mf (der martensitischen Beta-Phase) und As und Af (in der umgekehrten Transformation) bezeichnet werden. Das Interesse, das an den oben beschriebenen Effekten besteht die sich in "Beta"-Messing ausdrücken, und das insbesondere an denjenigen besteht, die mit dem Gedächtniseffekt und dem superelastischen Effekt verbunden sind, ist im wesentlichen mit der Tatsache verbunden, daß die fraglichen Materialien in der Lage sind, gleichzeitig die Funktionen eines Wärmesensors und eines mechanischen Betätigungsgliedes durchzuführen. Mit anderen Worten, ein SME-Element erfüllt die Funktionen, die herkömmlicherweise von einer komplexen Kette von Einrichtungen (z. B. Wärmesensor, Verstärker, Relais/Proportional-Betätigungsglied usw.) erfüllt werden.

Bei derartigen Anwendungen werden die in Frage stehenden Materialien thermo-mechanischen Beanspruchungen oder Spannungen vom zyklischen Typ unterworfen und können demzufolge Ermüdungsphänomene vom thermo-mechanischen Typ offenlegen, wenn geeignete Anordnungen nicht angewendet werden. Es ist bekannt, daß eine wesentliche Bedingung zum Erreichen eines guten Verhaltens von Metallmaterialien, wenn sie mit Ermüdungserscheinungen im allgemeinen und mit thermo-mechanischen Ermüdungen im besonderen konfrontiert werden, ist, daß eine sehr feine und homogene Komstruktur erhalten wird.

Beta-Messingarten, die keine Komgrößenreduktionszusatzelemente besitzen, haben andererseits eine entschieden große Komstruktur und besitzen deshalb eine niedrige Verläßlichkeit über lange Zeit bei thermomechanischen Ermüdungsbedingungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Cu-Zn-Al-Legierung mit einer derartigen Zusammensetzung zu schaffen, daß mit ihr Beta-Messingarten mit SME-Eigenschaften hergestellt werden können und die durch eine feine kristalline Komstruktur gekennzeichnet ist und sowohl hohe Beständigkeit gegen thermo-mechanische Ermüdung als auch eine gute Verarbeitbarkeit aufweist.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, indem durch sie eine Metallegierung auf Kupferbasis, insbesondere zum Gewinnen von Aluminium-Beta-Messing, geschaffen wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie von 5 bis 35 Gew.-% Zink, von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und eine Gesamtmenge, die zwischen 0,01 und 0,2 Gew.-% liegt, an Niob und Titan enthält, wobei der Rest Kupfer ist und wobei gegebenenfalls Verunreinigungen eingeschlossen sind, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen der Menge an Niob und der Menge an Titan, die in dieser Legierung enthalten sind, gleich eins ist.

Und zwar wurde nach einer genauen physikalischen und strukturellen Untersuchung beobachtet, daß die gleichzeitige Zugabe von Niob (Nb) und Titan (Ti) in gesteuerten niedrigen Konzentrationen und geeignet gegeneinander abgewogen, zu einem Aluminium-Messing zu einem unerwarteten synergistischen Effekt der zwei Legierungselemente führt, der in der Metallmatrix der Legierung zu der Bildung von tertiären intermetallischen Verbindungen durch Wechselwirkung mit Aluminium vom Nb-Ti-Al-Typ führt, die für die merkliche Reduktion der Korngröße und folglich erhöhte Beständigkeit gegen thermo-mechanische Ermüdung verantwortlich sind. Das Material besitzt weiterhin eine verbesserte Kalt-Verarbeitbarkeit. Es sei erwähnt, daß intermetallische Verbindungen dieses Typs, die in einer fein verteilten Form in der metallischen Matrix vorhanden sind, als Kristallisationskerne während der Verfestigung des Materials wirken und weiterhin in der Lage sind, das Wachstum von Körnern während nachfolgender Hochtemperatur-Wärmebehandlungen zu hemmen, wodurch die Bewegung ihrer Komgrenzen behindert wird. Dies führt zu einer merklichen Verringerung der Brüchigkeit, die für Aluminium-Beta-Messingarten typisch ist, die frei von Zusatzelementen sind, und auch zu einer Verbesserung in der Verarbeitbarkeit bei Umgebungstemperatur. Darüber hinaus bewirkt die Reduktion der Korngröße, die durch das Vorhandensein dieser intermetallischen Verbindungen hervorgerufen wird, einen Anstieg der charakteristischen Eigenschaften der Beständigkeit gegen thermo-mechanische Ermüdung der Legierung selbst. Legierung»! gemäß -2-

AT 394 057 B der Erfindung besitzen weiterhin eine hohe Stabilität bei normalen Arbeitstemperaturen, denen sie beim Gebrauch ausgesetzt werden können, dergestalt, daß diese intermetallischen Verbindungen, die sich als Folge der gleichzeitigen Zugabe von Niob und Titan bilden, bis zu hohen Temperaturen (900 °C) stabil sind.

Experimentelle Tests haben weiterhin gezeigt, daß zur Entwicklung der neuen und vorteilhaften Eigenschaften von Legierungen gemäß der Erfindung Zugabe von Niob und Titan in einem Gesamtprozentsatz erfolgen muß, der als Summe der einzelnen Gehalte von Nb und Ti zwischen 0,01 und 0,2 Gew.-% liegt. Darüber hinaus ist überraschender Weise gefunden worden, daß es zum Erhalten der verbesserten Ergebnisse notwendig ist, das Gewichtsverhältnis zwischen Niob und Titan, die in der Legierung enthalten sind, auf solch eine Weise zu steuern, daß der Gehalt der zwei Elemente gleich ist.

Die Legierung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt 0,05 Gew.-% Ti und 0,05 Gew.-% Nb, während der Al- und Zn-Gehalt jeweils von Zeit zu Zeit der Art der Anwendung entsprechend dergestalt gewählt wird, daß der Wert der Temperaturen As und Ms im wesentlichen von dem Gewichtsverhältnis zwischen diesen letzteren beiden Elementen abhängt In jedem Fall muß der Gehalt an Zn und Al innerhalb des Bereiches von Werten bleiben, die oben angegeben wurden, und der Gehalt an Nb und Ti, jeweils für sich betrachtet, darf nicht kleiner als 0,005 Gew.-% sein, da andernfalls ein unzureichender Komgrößen-reduktionseffekt erzielt wird. Diese Grenzen leiten sich offensichtlich von dem Fehlen eines merklichen Anteils an tertiärer Ausscheidung mit einer Komgrößenreduktionswirkung her.

Das Erhalten und Verarbeiten von Legierungen gemäß der Erfindung erfolgt auf eine herkömmliche Weise durch die Zugabe der Legierungselemente zu dem geschmolzenen Kupfer, insbesondere durch die gleichzeitige Zugabe von Niob und Titan zu einer Cu-Zn-Al-Basis, nachfolgendes Vergießen der so erhaltenen Legierung zu Blöcken, Verarbeiten derselben durch Heißextrudieren, bei einer Temperatur von 800 °C und nachfolgendes Bearbeiten durch Kaltziehen, wobei zwischen jeder der aufeinanderfolgenden Kaltzieh-Phasen eine entsprechende Phase der Wiedererhitzung auf Temperaturen, die höher als 500 °C sind, vorzugsweise 550 °C sind, eingeschoben wird. Danach wird die Legierung einer Lösungswärmebehandlung, bei der sie auf eine Temperatur von 700 bis 900 °C, vorzugsweise bis 800 °C erhitzt wird, und einem nachfolgenden scharfen Kühlen (Tempern) unterworfen.

Die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. bi den Zeichnungen zeigen:

Figuren 1 und 2 zwei entsprechende Mikrophotographien in unterschiedlichen Vergrößerungen von Proben einer Legierung gemäß der Erfindung, die grobe tertiäre intermetallische Teilchen auf dem Hintergrund einer festen Lösung zeigen, und

Figuren 3 und 4 jeweils spektrometische Diagramme der Teilchen und der festen Lösung entsprechend zu den Figuren 1 und 2.

Beispiel 1

Es wurden experimentelle Schmelzen in einem Induktionsofen mit einer Kapazität von etwa 50 kg hergestellt und danach zu Blöcken mit einem Durchmesser von 110 mm vergossen und in Wasser abgekühlt. Die Chargen bestanden aus je 34,5 kg 99,9 ETP-Kupfer, 13,5 kg Zn, 1,5 kg Al und 0,5 kg einer Vorlegierung von Kupfer, die 10 % Nb und 10 % Ti enthielt, was je 0,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Charge (50 kg), entspricht Die so erhaltene Legierung wurde im geschmolzenen Zustand zu Blöcken vergossen, und die Blöcke wurden nach Verfestigung Heißextrudieren unterworfen, wobei bei etwa 800 °C gearbeitet wurde, um ein Halbfertigprodukt von 25 mm Durchmesser zu erhalten. Dieses Halbfertigprodukt wurde Kaltbearbeitungstests durch Ziehen unterworfen, wobei jede Ziehphase bei Umgebungstemperatur durchgeführt wurde und Wiedererhitzen zwischengeschaltet wurde, das im Erhitzen des Halbfertigproduktes auf eine Temperatur von 550 °C und im Halten des Halbfertigproduktes auf dieser Temperatur für 0,5 Stunden bestand. Vor dem Abziehen der Proben wurden die erhaltenen Drähte in die Form von Schraubenfedem mit der folgenden Geometrie gewickelt: Drahtdurchmesser 3 mm, Federdurchmesser 21 mm, Anzahl der Wicklungen 10. Die so erhaltenen Federn wurden auf 800 °C erhitzt, bei dieser Temperatur 0,5 Stunden gehalten und danach mittels Abkühlen durch Eintauchen in Wasser bei 20 °C getempert. Auf diese Weise wurden Federn erhalten, von denen sich zeigte, daß sie thermomechanischen Konditionierungszyklen zum Erhalten des SME-Effektes unterworfen werden konnten oder daß sie direkt für Zwecke verwendet werden konnten, bei denen der superelastische Effekt ausgenutzt wird. Weiterhin ergab sich eine leichte Verarbeitbarkeit sowohl während der Phase des Drahtziehens als auch während der Walzphasen. Bei der mikroskopischen Prüfung ergab sich, daß die Proben nach Tempern, ausgehend von einer Temperatur von 900 °C, reduzierte kristalline Komgrößenabmessungen, im Mittel von etwa 0,1 bis 0,15 mm, besaßen.

Beispiel 2

Die Proben von Beispiel 1, die Lösungswärmebehandlung und Tempern wie in Beispiel 1 unterworfen worden waren, wurden der Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und EDS-Mikroanalyse unterworfen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Mikrophotographien der Figuren 1 und 2 und in den Knrvendarstellungen der Figuren 3 und 4 gezeigt. Figur 1 ist eine Mikroaufnahme mit einer Vergrößerung von X 75000, die (grobe) Teilchen von Al-Nb-Ti tertiären intermetallischen Verbindungen mit der in Figur 3 -3-

Claims (3)

1. AT 394 057 B dargestellten Zusammensetzung zeigt. Figur 2 ist eine Mikroaufnahme mit einer Vergrößerung von X 270000 von einer Probe ähnlich der aus Figur 1 und zeigt ein tertiäres intermetallisches Teilchen mit kleineren Dimensionen mit der gleichen Zusammensetzung wie derjenigen, die in Figur 3 gezeigt ist. Figur 3 ist ein Spektrum, das durch EDS-Mikroanalyse in Übereinstimmung mit den Teilchen von Figuren 1 und 2 erhalten worden ist, während Figur 4 das EDS-Spektrum der festen Lösung bei Fehlen von Teilchen ist, das unter den gleichen Arbeitsbedingungen erhalten worden ist und zum Vergleich angegeben wird. Der tertiäre Aufbau (Al-Nb-Ti) der groben Teilchen ist aus dem gleichzeitigen Vorhandensein (Figur 3) der Nb- und Ti-Linien (die in der festen Lösung - Figur 4 - nicht entdeckt werden können bei Fehlen dieser Teilchen wegen der niedrigen mittleren Konzentration der Elemente Nb und Ti) und aus der starken Erhöhung der relativen Intensität der Al-Linie im Vergleich zu dem beobachtbaren Wert in der festen Lösung (Figur 4) bei Fehlen der Teilchen ersichtlich. In dem Spektrum der Figur 4 werden andererseits nur die Linien der Hauptbestandteile der Legierung beobachtet und die niedrigere relative Intensität der Al-Linie im Vergleich zu der, die in Figur 3 gezeigt ist, ist offensichtlich. PATENTANSPRÜCHE 1. Metallegierung auf Kupferbasis, insbesondere zur Gewinnung von Aluminium-Beta-Messing, dadurch gekennzeichnet, daß sie von 5 bis 35 Gew.-% Zink, von 1 bis 10 Gew.-% Aluminium und eine Gesamtmenge, die zwischen 0,01 und 0,2 Gew.-% liegt, Niob und Titan enthält, wobei der Rest Kupfer ist und gegebenenfalls Verunreinigungen einschließt, und wobei das Gewichtsverhältnis zwischen der Menge an Niob und derjenigen an Titan, die in dieser Legierung enthalten sind, gleich eins ist
2. 2. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 Gew.-% Niob und 0,1 Gew.-% Titan enthält.
3. 3. Verfahren zur Gewinnung eines Aluminium-Beta-Messings, einer Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Schmelzen unter gleichzeitiger Zugabe von Niob und Titan zu einer Cu-Zn-Al-Basis erhaltene und zu Blöcken vergossene Legierung einer Heißextrusionsbehandlung bei einer Temperatur von 800 °C und nachfolgenden Kaltzieh-Phasen, durchsetzt mit jeweiligen Wiederaufheizungs-Phasen bis auf Temperaturen, die höher als 500 °C sind, vorzugsweise auf 550 °C, unterworfen wird, sodann einer Lösungswärmebehandlung, die ihr Erhitzen auf 700 bis 900 °C, vorzugsweise bis 800 °C, umfaßt, woraufhin eine schnelle Abkühlung (Tempern) folgt. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -4-