Gehärtete Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierung und Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung bezieht sich auf eine Le gierung, die vorherrschend Nickel und Kup fer enthält.
Die Zugabe von Aluminium zu Nickel- Kupferlegierungen verbessert gewisse physi kalische Eigenschaften der letzteren, sie er folgt gewöhnlich in einem Betrage von 4%. Überdies lassen sich diese Eigenschaften, und besonders die Zugfestigkeit und Härte, weiter verbessern, indem man die aluminiumhalti gen Legierungen einer .geeigneten Hitze behan.dlung nach Art der Ausscheidungs härtung unterwirft.
Es ist bekannt (siehe britische Patent schrift Nr. 394378), dass der Zusatz von Titan zu Nickellegierungen (einschliesslich Nickel-Kupferlegierungen) die Legierungen durch Wärmebehandlung härtbar macht, und dass Aluminium als ein zweites Härtemittel zugesetzt werden kann. Der Betrag an bei zugebendem Titan belief sieh auf 1 bis<B>10%.</B>
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass einer Nickel-Kupfer-Alu- miniumlegierung, die verhältnismässig kleine Mengen Aluminium enthält, unerwartete bessere Eigenschaften, insbesondere gute Härte, erteilt werden können, wenn in der Legierung kleine Mengen Titan und Kohle vorhanden sind.
Erfindungsgemäss enthält .die Legierung folgende Bestandteile:
EMI0001.0020
Nickel <SEP> 50 <SEP> bis <SEP> 85
<tb> Kupfer <SEP> 45 <SEP> bis <SEP> 10
<tb> Aluminium <SEP> 2 <SEP> bis <SEP> 4 <SEP> %
<tb> Titan <SEP> mindestens <SEP> 0,25 <SEP> %, <SEP> aber <SEP> weniger <SEP> als <SEP> 1
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,05 <SEP> bis <SEP> <B>0,3%.</B> Die Legierung, gemeinsam mit im wesent lichen allen handelsüblichen Legierungen, enthält gewöhnlich auch Verunreinigungen, wie Kobalt, Silicium, Mangan, Eisen, Schwe fel und Phosphor.
Sie kann Silicium, Man gan und Eisen auch in Mengen enthalten, in denen diese Elemente mehr als nur Verunrei nigungen darstellen, das heisst, die Legierung kann aus einer Grundzusammensetzung be stehen, wie oben angegeben und dazu noch eines oder mehrere der Elemente Silicium, Mangan und Eisen in folgenden Verhält nissen in der fertigen Legierung enthalten: Silicium von 0,05 bis<B>l ,ö</B> (vorzugsweise 0,2 bis 0,4%), Mangan von 0,05 bis 2,,o (vor zugsweise 0,25 bis 0,5%) und Eisen von 0,05 bis 10% (vorzugsweise 0,2 bis 1%). Magne sium sollte fehlen, da es die Wärmeleit fähigkeit der Legierung herabsetzt.
Die besseren Eigenschaften können in den Legierungen durch eine ZVärmebehandlung nach Art der Ausscheidungshärtung ent wickelt werden. Die Behandlungsarten, wie sie jetzt zum Härten von Nickel-Kupfer- Aluminiumlegierungen zur zur Anwendung ge langen, wie z. B. die in der deutschen Patent schrift Nr. 492461 beschriebenen Behand lungsarten, können auf die Legierungen nach vorliegender Erfindung angewendet werden, vorzuziehen ist aber die Anwendung von Behandlungsarten, .die eine geregelte all- mälige Kühlung in sich schliessen, wie sie unten beschrieben ist.
In den Legierungen vorhandenes Alumi nium und Titan werden im Ausscheidungs- hä.rtungsverfahren als, wichtige Elemente betrachtet, während Kohlenstoff und, bis zu einem gewissen Grade, auch Silicium in diesem Verfahren als weniger wichtige Elemente angesehen werden. Um wirtschaft- liehen Wert zu besitzen, sollten die Legierun gen einer Härtung bis zu einer minimalen Härte von 265 Biinell fähig sein, ohne Kalt behandlung. Titan in Beträgen von weniger als 0,25% erzeugt Härtegrade, die nicht merklich besser sind als die, die mit 3laterial erhalten werden, das nur Aluminium ent hält. Eine.
Legierung, die annähernd<B>2,75%</B> Aluminium lind 0,50/'o Titan enthält, ergibt leicht holde Härtegrade von wirtschaftlichem Wert. Mit abnehmendem Aluminiumgehalt sollte der Titangehalt erhöht werden. Er .darf jedoch nicht mehr als 1 % betragen, weil bei einem so hohen Gehalt die Legierung eine Neigung zu dem entwickelt, das als "Zen- trumspaltung" beim Walzen in kleine Stäbe usw. bekannt und eine Äusserung schwacher Wärmeleitfähigkeit ist. Ein sehr geringer Vorteil wird erzielt, wenn man den Titan gehalt höher als<B>0,75%</B> wählt.
Der bevor zugte Titangehalt beträgt 0,4 bis 0,75% bei einem Aluminiumgehalt zwischen 2,3 und 3,4, ö. Innerhalb dieses Bereiches werden vor zugsweise ,gewisse Grenzen innegehalten, um die besten Ergebnisse zu erhalten, und die bevorzugten Legierungen haben die nach stehende Zusammensetzung: Nickel von 63 bis 70<B>%,</B> Kupfer von 33 bis 26 %, Alumi nium von 2,7 bis 3,1 %, Titan von 0,4 bis <B>0,6%</B> und Kohlenstoff von 0,13 bis 0,20%.
Typische Legierungen sind folgende:
EMI0002.0030
1 <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb> Nickel
<tb> 66,14% <SEP> 66,10% <SEP> 66,45 ö <SEP> 64,66
<tb> Kupfer <SEP> <B>29,83% <SEP> 29,69% <SEP> 29,26%</B> <SEP> 30,07
<tb> Aluminium <SEP> <B>2,88% <SEP> 1-),92%</B> <SEP> 2,74% <SEP> 2,68
<tb> Titan <SEP> <B>0,55%</B> <SEP> 0,5<B>1</B> <SEP> % <SEP> <B>0,51.%</B> <SEP> 0,49
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,14% <SEP> <B>0,1.8% <SEP> 0,13%</B> <SEP> 0,14
<tb> Silicium <SEP> 0,26 <SEP> 16<I>0'</I> <SEP> 0,20% <SEP> 0,31, ö <SEP> 0,26 Der Kohlenstoff spielt eine gewisse Rolle für die Erteilung verbesserter physikalischer Eigenschaften, selbst wenn er nicht so wichtig ist wie Titan und Aluminium.
Daher wird vorgezogen, .den Kohlenstoffgehalt auf ,der höchsten Stufe zu erhalten, die möglich ist, ohne die Wärmehämmerbarkeit zu opfern, weil die höheren Kohlenstoffgehalte eine erhöhte Stärke und Härte verleihen. Während Kohlenstoff in Legierungen von Nickel und Kupfer mit hohem Tit.a.ngehalt höchst. nachteilig wirkt, äussert er sich gün- stig in Material, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die Legierungen nach vorliegender Er findung brauchen nicht abgeschreckt zu wer den, und werden es vorteilhafterweise auch nicht, um sie für eine Ausscheidungshärtung empfänglich zu machen. Die Legierungen werden gewöhnlich nur abgeschreckt, wenn gewünscht wird, dass sie vorübergehend weich sein sollen. Die Legierungen härten auf im wesentlichen dieselbe Endhärte, ohne Rücksicht darauf, ob sie jemals wäh rend irgendeiner Verfahrenstufe irgendeinem Lösch- oder raschen Kühlvorgang unterwor fen wurden.
Aus Zweckmässigkeitsgründen, um das Material vorübergehend weich und leicht richtbar, meisselbar und stemmbar zu machen, sowie auch, um einem Rissigwerden während des Wiedererwärmens vorzubeugen, werden Stangen, Blöcke und Barren gewöhn ac lerWarmbearbeitung wieder gelöscht.
n 'h jec Im allgemeinen werden erst die aus den Le- ffi <B>o,</B> erungen hergestellten Gegenstände wärme behandelt, um nach ihrer Fertigstellung eine Härte zu entwickeln, obschon manche Gegen stände vor der Endbehandlung wärmebehan delt werden können. Beispielsweise können feine Federn nach der härtenden Wärme behandlung kalt gezogen werden, indem dieses Vorgehen die höchsten in dem Ma terial erreichbaren physikalischen Eigen schaften entwickelt.
Dieses Verfahren er zeugt auch fertiges Material mit einem höheren Glanz, als er in Material entwickelt werden kann, das nach dem Kaltziehen wärmebehandelt wird. Die maschinelle Fer tigbehandlung lässt sich auch nach der Wärmebehandlung durchführen, um irgend welches während der letzteren auftretendes Verziehen auszugleicheno Wärmebehandeltes Material kann nachfolgender maschineller Behandlung, Stanzen, oder andern Verarbei tungsvorgängen unterworfen werden, sofern solche je nötig werden.
Die bevorzugte Wärmebehandlung be steht darin, dass die Legierung während 1/-, bis 16 Stunden in einem Temperaturbereich zwischen 538 und<B>HOC</B> C gehalten und dann fortlaufend auf mindestens 482 C abgekühlt wird. Dabei übersteigt der Betrag der Küh lung nicht 42' C je Stunde bei irgendwelcher Temperatur über<B>593'</B> C und nicht<B>28'</B> C je Stunde bei irgendeiner Temperatur unter <B>593'</B> C.
Vorzugsweise überschreitet der Be trag der Kühlung bei irgendwelcher Tem peratur unter<B>593'</B> C nicht 14' C je Stunde. Die besten Eigenschaften scheinen sich zu entwickeln bei einem Abkühlen um etwa 8 C je Stunde bis auf 482' C hinunter und dann um etwa 2 C<B>ja</B> Stunde bis auf 426' C hinunter. Die Zunahme der mechanischen Eigenschaften mit Abnahme der Temperatur ist fortlaufend, wenn auch in vermindertem Grade.
So wird Material der vorliegend be trachteten Zusammensetzungen, -das gemäss der bevorzugten Wärmebehandlung langsam auf 482' C abgekühlt wurde, höhere Eigen schaften besitzen, als entwickelt worden wären, wenn die langsame Abkühlung bei spielsweise bei 540 C aufgehört hätte. Un terhalb 42,6' C geht die Zunahme an Eigen schaften so langsam vor sich, dass aus prak tischen Gründen die geregelte Abkühlung selten unter diese Temperatur fortgeführt, sondern häufig schon bei ungef ähr 482' C abgebrochen wird.
Von der Endtemperatur, das heisst von ungefähr 426'C an bis auf atmosphärische Temperatur hinunter kann die Legierung gelöscht, luftgekühlt oder in irgendwelchem Grade gekühlt werden. Ein Löschvorgang nach der Härtebehandlung verkürzt die .durch die totale Wärmebehand lung beanspruchte Zeit.
Die Anfangstemperatur bei ,der härtenden Wärmebehandlung und der erforderliche Zeitaufwand werden stark beeinflusst durch die Umstände bei der Kaltbearbeitung des zu behandelnden Materials. Im allgemeinen wird vorgezogen, um so niedrigere Anfangs temperaturen zu gebrauchen, je grösser der Betrag der Kaltarbeit war. So entwickelt eine Legierung, die sich in weichem Zustand befindet, z.
B. warm gewalzt, angelassen, oder leicht kalt bearbeitet wurde, Eigen schaften, die in der Nähe des Maximums liegen, wenn sie während 1/2 bis 2 Stunden auf einer Temperatur von etwa<B>650'</B> C ge halten, dann um je<B>528'</B> C stündlich zunächst auf 593 C abgekühlt und weiter um je 1.4 C oder weniger stündlich auf ungefähr 450 C abgekühlt wird. Eine Legierung, die ein be scheidenes Mass an Kaltbearbeitung erfahren hat, wie z.
B. ein halbharter Temperstreifen, eine kalt gezogene Stange usw. entwickelt Eigenschaften nahe dem 'Maximum, wenn sie während 8 bis 16 Stunden auf ungefähr 580 C gehalten und dann um je 14 C oder weniger stündlich bis auf ungefähr 430 C abgekühlt wird.
Obschon dieses Verfahren besonders für mässig kalt bearbeitetes DZate- 5 rial geeignet ist, werden ausgezeichnete Er gebnisse auch erhalten mit heissgewalzten und angelassenen Materialien, das heisst Ma terialien, die während des Warmwalzens unter einer genügend hohen Temperatur fertig bearbeitet werden oder sieh in weichem Zustand befinden, wie er z. B. durch plötz liches Abschrecken aus 760 C oder höher erhalten wird. Eine Legierung, die verhält nismässig viel Kaltbearbeitung erfahren hat, wie z.
B. Feder-Temperdraht und -Streifen, entwickelt Eigenschaften nahe dem Maxi mum, wenn sie auf einer Temperatur von etwa<B>550'</B> C gehalten und dann in der näm lichen Weise abgekühlt wird, wie die mässig bearbeitete Legierung.
Die Eigenschaften von Nickel-Kupfer- Aluminiumlegierungen, die dadurch verbes sert wurden, da-ss man sie nach den oben be schriebenen. Zusammensetzungen herstellte, schliessen auch die Geschmeidigkeit im Warmbearbeitungsbereich von<B>760'</B> bis <B>1260'</B> C und die Aufrechterhaltung der Stärke und Geschmeidigkeit, nachdem sie während längerer Zeit erhöhter Temperatur ausgesetzt waren, in sich. Die Härte und Zugfestigkeit lässt sich im Vergleich mit den früheren Nickel-Kupfer-Aluminiumlegierun- gen um 10 bs 15 % erhöhen.
Die höheren Zugfestigkeiten werden ohne wesentliche Verminderung der Geschmeidigkeit erhalten. Warmgess"alzte Legierungen nach der Erfin dung können bis auf mindestens <B>265</B> Brinell gehärtet werden, und ungefähr 300 Brinell- stellen einen Mittelwert dar.
Kalt gezogenes oder kalt bearbeitetes Material in kleineren Abschnitten, beispielsweise bis zu ungefähr 25 mm Querschnittsdicke, erreicht im allge meinen Brinell-Härtewerte von 325 oder mehr, wenn es, wie beschrieben, wärmebehan delt wird, aber grössere kalt bearbeitete Ab schnitte geben nicht viel höhere Härtewerte als dieselben Abschnitte, wenn warm ge- ,valzt. Als Beispiel der Verbesserung in be- zug auf Warmgeschmeidigkeit sei erwähnt, dass eine Legierung gemäss der Erfindung einen Temperaturbereich, innerhalb dessen sie warmgeschmiedet werden kann,
ohne dass Rissbildung oder andere Schädigung auf tritt, von ungefähr 450 C besass, während eine Legierung von praktisch derselben Zu sammensetzung, aber ohne jedes Titan, einen nur etwa halb so grossen solchen Bereich aufwies. Dieser Unterschied in der Warm- liäminerbarkeit stellt den Unterschied dar zwischen Material, das nicht wirtschaftlich hämmerbar ist und solchem, das wirtseha.ft- lich hämmerbar ist.
Die Legierungen gemäss der Erfindung eignen sieh für die Herstellung mancherlei Gegenstände. Zu solchen gehören Walzen und Lagerkugeln, Lager und Laufkränze dafür, Rollenketten, nichtmagnetische, durch den Fallhammer geschmiedete Stücke und Spannstäbe für Flugzeuge, Ventilsitze und an dere Ventilteile, Pumpenstangen und dergl., Pumpenstangeubüclisen, Pumpenkolben für hohe Drücke und Temperaturen, Plungerkol- ben, Turbinenschaufeln, Scheidewände für Turbinensehaufelungen, Verschlussseheiben, Schrauben und Muttern, Werkzeuge, Schneid- ;
klingen und dergleichen, Zapfen und Nadeln, Federn und andere federnde Elemente, Teile von Flugzeuginstrumenten, Brennerdüsen, Stanzen, Blätter, Streifen, Draht, gewalzte Stäbe, Schablonen usw.