Kupfer-Nickel-Legierung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kupfer-Nickel Legierung und deren Verwendung für die Herstellung von Formkörpern, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden.
Bekanntlich haben Kupfer-Nickel-Legierungen mit einem nominellen Nickelgehalt von 30 O/o eine hohe Beständigkeit gegen den Angriff durch Alkalien, insbesondere gegen die korrodierende Wirkung von sich schnell bewegendem Meerwasser und anderen salzsole artigen Lösungen. Diese Eigenschaften und ihre ausgezeichnete Beständigkeit gegen Rissbildung durch Belastungskorrosion machen sie besonders geeignet für die Verwendung in Kühlern, als Destillationsvorrichtungen, Verdampfer und Wärmeaustauscherrohre und als Zwingen.
Eine andere, mögliche Verwendung der 70:30-Kup fer-Nickel-Legierungen besteht in Entsalzungsvorrichtungen. Dies könnte eine ausserordentlich gross angelegte Verwendung sein, insbesondere da die Nachfrage nach Frischwasser ständig wächst. Um jedoch die Verwendbarkeit für die Meerwasserumwandlung sicherzustellen und um eine ständige Verwendung in Kühlern, Verdampfern, Wärmeaustauschern und anderen, korrosionsbeständigen Wärmeübertragungsvorrichtungen zu bewahren, wurde versucht, die Eigenschaften der Kup fer-Nickel-Legierungen bei hohen Temperaturen zu verbessern, so dass derartige Vorrichtungen bei den höheren Temperaturen, die für ein wirtschaftlicheres Arbeiten notwendig sind, verwendet werden können. Zurzeit scheint z.
B. die mehrstufige Blitzdestillation eines der stärker Erfolg versprechen den Verfahren für die Umwandlung von Meerwasser zu sein. Dieses Verfahren benötigt grosse Wärme und die Handhabung grosser Mengen des sehr korrodierenden, heissen Meerwassers bei einer Mindestschädigung der Anlage für eine wirksame Produktion von Frischwasser.
Die Schaffung eines Materials mit der Doppelfunktion der Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen plus einer Beständigkeit gegenüber einer stark korrodierenden Umgebung war schwierig und hat zu Versuchen mit anderen Metallen und Legierungen geführt. Die Versuche, die 70: 30-Kupfer-Nickel-Legierungen durch rostfreie Stahle der Typen 304 und 316, die ziemlich gute Eigenschaften bei hoher Temperatur haben, zu ersetzen, waren jedoch nicht besonders erfolgreich, da diese Stahle dazu neigen, bei den zur Entsalzung notwendigen hohen Temperaturen angefressen ( pit corrosion ) zu werden. Zur Lösung der Probleme hat sich die Technik daher erneut der Verbesserung der Kupfer Nickel-Legierungen zugewandt.
Die bisherigen Versuche zur Verbesserung der Kup fer-Nickel-Legierungen waren nicht besonders erfolgreich, da es nicht genügt, dass das Material nur die oben genannten, wünschenswerten Eigenschaften hat. Es sollte weiterhin leicht schweissbar und leicht heiss und kalt zu Stäben, Rohren, Rohrplatten, Nuten, Bolzen usw. verarbeitbar sein. Obgleich viele Versuche zur Schaffung derartiger Kupfer-Nickel-Legierungen unternommen wurden, war bisher keiner völlig erfolgreich, wenn er in grosstechnischem Industriemassstab in die Praxis umgesetzt wurde.
Es wurde nun gefunden, dass 70:30-Kupfer-Nickel Legierungen mit hoher Festigkeit bei Temperaturen bis zu 600 OC und mehr, einer Korrosionsbeständigkeit gegenüber heissem Meerwasser und Frischwasser sowie guter Schweissbarkeit und Verarbeitbarkeit in wirtschaftlicher Weise mit relativ geringen Mengen zusätzlicher Legierungssubstanzen erhalten werden können.
Es besteht die Nachfrage nach neuen 70:30-Kupfer- Nickel-Legierungen mit einer einmaligen Kombination von Eigenschaften, wie verbesserten Alterungs-Härtungs Eigenschaften, guten Eigenschaften bei Zimmertemperatur und erhöhten Temperaturen und/oder guten Eigenschaften in geschmiedeter Form sowie guter Schweissbarkeit.
Weiterhin besteht die Nachfrage nach Kupferbasis Legierungen mit guten Gusseigenschaften und nach Kupfer-Nickel-Legierungen mit ausgezeichneter Festigkeit bei Zimmertemperatur und erhöhten Temperaturen, die gleichzeitig jedoch leicht in die üblichen und in komplizierte Formen und Gebilde verarbeitet werden kön nen. Ausserdem besteht Nachfrage nach Kupfer-Nickel Legierungen mit guter Festigkeit im von Spannungen befreiten ( lösungsgeglühten ) und vergüteten ( aged ) Zustand sowie im kaltverarbeiteten und vergüteten Zustand.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verbesserung der Festigkeit von 70:30-Kupfer-Nickel-Legierungen durch Zugabe von einem oder mehreren ausgewählten Legierungsbestandteilen in relativ geringen Mengen ohne nachteilige Beeinflussung der Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Schweissbarkeit dieser Legierungen erreicht.
Die erfindungsgemässe Kupfer-Nickel-Legierung eignet sich für die Herstellung leicht schweissbarer und bearbeitbarer Formkörper mit unerwartet guten metallurgischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich einschliesslich von Temperaturen über 700 "C sowie guter Beständigkeit gegen Korrosion in Anwesenheit heisser salziger Lösungen.
Die erfindungsgemässe Kupfer-Nickel-Legierung enthält 25-35 Gew.-O/o Nickel; 0-3 Gew.- /o Mangan, 0-1,5 Gew.-O/o Eisen; 0,1-0,7 Gew.-O/o Titan, 0-0,6 Gew.- /o Beryllium, bis zu 0,08 Oew.-0/o Kohlenstoff und als Rest Kupfer.
Der Titangehalt und Berylliumgehalt stehen zueinander und zur Temperatur des für die Legierung be absichtigten Verwendungszweckes in Beziehung, so dass bei einer Verwendungstemperatur unter 600 0C das Beryllium vorzugsweise in Mengen von mindestens 0,3 Gew.- /0 anwesend ist; bei einer Verwendungstemperatur von mindestens 600 "C liegt die Menge an vorhandenem Titan plus der Menge an etwaig anwesendem Beryllium bei mindestens 0,5 Gew.-O/o, jedoch unter 1,2 Gew.-O/o. Bei Verwendungstemperaturen über 700 OC ist die Legierung zweckmässig praktisch frei von Beryllium, und der Titangehalt liegt zwischen 0,5-0,7 Gew.-0/o.
Neben den oben genannten Elementen in den angegebenen Mengen enthalten die erfindungsgemässen Legierungen Kupfer, das den Rest der Legierungen neben den üblichen Verunreinigungen und restlichen Deoxydierungsmitteln ausmacht. Das verwendete Kupfer hat zweckmässig eine Reinheit von mindestens 99,5 /o.
Die erfindungsgemässen Legierungen, die die genannten Bestandteile in den angegebenen, proportionalen Mengen enthalten, sind nach üblichen Giessereiverfahren herstellbar und haben ein gutes Giessverhalten; so sind z. B. alle Oberflächen der Legierung im wiegegossenen Zustand glatt. Diese Legierungen sind weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie alterungshärtbar ( age-hardenable ) sind und gute Festigkeiten im lösungsgeglühten Zustand und vergüteten Zustand und ausserdem im kaltbearbeiteten und vergüteten Zustand haben.
Die Alterungshärtbarkeit bzw. Vergütbarkeit der erfindungsgemässen Legierungen ist dem in ihnen enthaltenen Titan oder Titan plus Beryllium zuzuschreiben, vorausgesetzt, dass diese Elemente in den oben angegebenen Mengen anwesend sind. So ist Titan in den erfindungsgemässen Legierungen immer in Mengen von mindestens 0,1 0/0, jedoch nicht mehr als 0,7 O/o, anwesend. Sind weniger als 0,1 O/o Titan anwesend, so haben die Legierungen nicht das entsprechende Ansprechen auf die Alterung bzw. Vergütung, um optimale Eigenschaften zu erzielen. Sind anderseits mehr als 0,7 /o Titan anwesend, so werden die Legierungen spröde und schwierig zu bearbeiten.
Weiterhin haben Legierungen mit mehr als 0,7 O/o Titan überraschenderweise eine geringere Festigkeit als Legierungen, die Titan in den oben angegebenen Mengen enthalten. Zweckmässig ist das Titan in Mengen von mindestens 0,15 O/o anwesend. Soll die Legierung jedoch bei Temperaturen über 600 OC verwendet werden und ist kein Beryllium anwesend, so liegt das Titan in Mengen von mindestens 0,5 O/o, vorzugsweise mindestens 0,6 O/o, vor.
Das Beryllium verbessert bei Verwendung in Kombination mit Titan in den oben angegebenen Mengen und unter den aufgeführten Bedingungen wesentlich die Eigenschaften der erfindungsgemässen Kupfer-Nickel Legierungen. Sollen daher die Legierungen bei Temperaturen unter 600 0C verwendet werden, so ist das Beryllium in Mengen von mindestens 0,3 O/o anwesend, während das Titan in Mengen von mindestens 0,1 0/o vorhanden ist. Beträgt dagegen die Verwendungstemperatur mindestens 600 9C, so braucht kein Beryllium anwesend zu sein, solange mindestens 0,5 O/o Titan anwesend sind.
Liegt der Titangehalt jedoch unter 0,5 O/o, so muss Beryllium gleichzeitig in solchen Mengen anwesend sein, dass die Summe von Beryllium plus Titan mindestens 0,5 O/o, jedoch nicht mehr als 1,2 O/o, beträgt.
Zweckmässig sind die erfindungsgemässen Legierungen praktisch frei von Beryllium, d. h. sie enthalten weniger als 0,01 0/0 Beryllium, wenn die Verwendungstemperatur hoch ist, d. h. über 700 "C oder 750 OC liegt. Offenbar bildet das Beryllium in einem solchen Legierungssystem bei Vergätungstemperaturen zwischen 500 bis 600 OC eine Ausfällung. Liegt die Vergütungs- oder Verwendungstemperatur jedoch über 600 "C, so werden die Legierungen offenbar zu stark gealtert, und das Beryllium scheint an den Korugrenzen zu agglomerieren, wodurch die Legierung geschwächt wird.
Das Titan scheint dagegen dem Legierungssystem ein fortdauerndes Ansprechen auf die Vergütung bei Temperaturen zwischen 600-650 oC und grössere Festigkeit bei Temperaturen über 700 OC zu verleihen, wenn kein Beryllium gleichzeitig anwesend ist.
Wie oben ausgeführt, können die erfindungsgemäs sen Legierungen auch noch bis zu 3 Gew.-O/o Mangan und bis zu 1,5 Gew.-O/o Eisen gemäss den Vorschriften des US-Verteidigungsministeriums, Mil-C-15726D enthalten, die bis zu 1,5 Gew.-O/o, z. B. 1 Gew.-O/o, Mangan und 0,4-0,7 Gew.-O/o Eisen fordern. Das Mangan wird zugefügt zur Verbesserung der Schweissbarkeit und zur Eliminierung der nachteiligen Wirkungen des möglichen Schwefels, der gegebenenfalls als Deoxydierungsmittel anwesend sein kann. Eisen trägt selbstverständlich zur Festigkeit der Legierung bei.
In den erfindungsgemässen Legierungen kann Silicium in Mengen nicht über 0,3 Gew.- /o, z. B. 0,2 Gew.-O/o, und zweckmässig nicht über 0,1 Gew.-O/o, toleriert werden. In einer Menge über 0,3 Gew.-O/o bewirkt Silicium Warmbrüchigkeit, wodurch die Legierungen schwierig zu bearbeiten sind und ihre Verwendung nur auf Giessverfahren beschränkt wird.
Zweckmässig sind die erfindungsgemässen Kupfer Nickel-Legierungen praktisch frei von Kohlenstoff und solchen Elementen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Zink, Wismut, Blei, Schwefel, Zinn und Phosphor, da sie eine nachteilige Wirkung auf die andernfalls guten metallurgischen und/oder physikalischen Eigenschaften dieser Legierungen haben. Zink scheint z. B. die Neigung zu haben, sich in den Korngrenzen zu konzentrie: ren und schwächt somit die Legierungen. Daher liegt die tolerierbare Zinkmenge unter etwa 0,01 /o; zweckmässig ist es nicht in irgendeiner Menge anwesend, die durch Spektralanalyse feststellbar ist.
Wismut macht die erfindungsgemässen Legierungen spröde und sollte unter 0,001 O/o gehalten werden, während Blei, das ebenfalls eine spröde machende Wirkung hat und das Schmiedeverhalten ernstlich beeinträchtigen kann, unter 0,01 O/o gehalten werden sollte. Zinn sollte nicht in Mengen über 0,1 O/o anwesend sein, das es die Legierung, insbesondere bei den höheren Verwendungstemperaturen, weich macht. Weiterhin verschlechtert die Anwesenheit von Zinn die andernfalls guten Schweisseigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen.
Phosphor ist ein weiteres Element mit einer nachteiligen Wirkung auf das Legierungssystem und sollte unter 0,01 o/o gehalten werden, um eine gute Heissbearbeitbarkeit sicherzustellen. Daher sollte die Verwendung von mit Phosphor deoxydierten Kupferabfällen zur Herstellung dieser Legierungen vermieden werden. Kohlenstoff bewirkt nicht nur, ebenso wie Phosphor, Warmbrüchigkeit, sondern er hat eine nachteilige Wirkung auf die Kaltbearbeitbarkeit der erfindungsgemässen Legierungen. Die Kohlenstoffmenge sollte vorzugsweise weniger als 0,08 O/o, z. B. 0,05 O/o, betragen.
Schwefel in so geringen Mengen wie z. B. 0,01 0/0 macht die nickelhaltigen Kupferlegierungen unbearbeitbar, und zwar vermutlich auf Grund der Anwesenheit eines Nickel-Nickelsulfid-Eutektikums mit relativ niedrigem Schmelzpunkt, das sich an den Korngrenzen abscheidet.
Die nachteilige Wirkung von Schwefel kann jedoch verringert werden, indem man entweder Magnesium oder Mangan während des Schmelzens mitverwendet. Jedes dieser Elemente hat eine Affinität für Schwefel und verbindet sich mit jedem vorhandenen Schwefel zur Bildung kleiner Kügelchen, die während der Heissbearbeitung keine spröde machende Wirkung haben.
Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung werden vorteilhaftere Ergebnisse erzielt, wenn die in der Schmelze verwendeten Bestandteile eine Reinheit von mindestens jeweils 99,5 O/o haben und wenn diese Bestandteile für die in Tabelle 1 angegebenen, besonderen Verwendungstemperaturen in den bevorzugten Mengen anwesend sind.
Tabelle 1 Verwendungs- Bestandteile; /o (der Rest ist Kupfer und weniger als 0,OS O/o Kohlenstoff) temperatur cc Nickel Titan Beryllium Titan und Beryllium unter 600" 27-33 0,15-0,7 0,3-0,6 < 1,2 600-700 27-33 0,15-0,7 bis zu 0,6 mindestens 0,5-1,2 über 750" 27-33 0,5 -0,7 < 0,01
Jede dieser in Tabelle 1 angegebenen Legierungen, die gegebenenfalls auch noch bis zu 1,5 O/o Mangan und bis zu 1 O/o Eisen enthalten kann, hat eine äusserste Zugfestigkeit (UTS) über 6300 kg/cm2 im nicht vergüteten, jedoch kalt bearbeiteten Zustand, wenn die Menge an Kaltbearbeitung mindestens 50 /o beträgt,
und eine 0,1 O/o offset Streckgrenze (YS) von mindestens 2800 kg/cm nach einstündiger Vergütung bei der sehr hohen Temperatur von 750 OC und eine Streckgenze (YS) von mindestens 6300 kg/cm2 nach einstündigem Vergüten bei 600 OC.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen und metallurgischen Eigenschaften einschliesslich der Festigkeit von Legierungen auf Kupferbasis, die 25-35 Gew.- /o Nikkel und gegebenenfalls bis zu 3 Gew.-O/o Mangan und bis zu 1,5 Gew.-O/o Eisen enthalten.
Dieses Verfahren besteht in der Festigkeitsverbesserung der Legierungen durch Vergütung mit 0,1-0,7 Gew.-O/o Titan und bis zu 0,6 Gew.-O/o Beryllium mit der Voraussetzung, dass Beryllium in Mengen von mindestens 0,3 Gew.- /o anwesend ist, wenn die Legierung bei Temperaturen unter 600 OC verwendet werden soll; soll die Legierung bei Temperaturen über 600 C verwendet werden, so ist die Summe aus Titan und irgendwelchem anwesendem Beryllium mindestens 0,5 Gew.-O/o, jedoch höchstens 1,2 Oew.0/o.
Bei einer Verwendungstemperatur über 700 cc, z. B.
750 OC, wird der Legierung zweckmässig kein Beryllium zugefügt, jedoch wird Titan in Mengen zwischen 0,5 bis 0,7 Gew.-O/o zugegeben.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile werden im folgenden Beispiele mit unterschiedlichen Mengen der legierenden Bestandteile gegeben. In jedem dieser Beispiele wurde eine Anzahl von Kupfer-Nickel-Legierungen hergestellt, indem man Kupfer und Nickel bei einer Temperatur von etwa 1400 cm zusammen in einem Graphitschmelztiegel schmolz. Jede Schmelze wurde gerührt, bis alles Nickel gelöst war. Dann wurde die Temperatur jeder Schmelze auf 1350 OC verringert, und es wurden die anderen legierenden Elemente zugefügt und 5 Minuten auf dieser Temperatur gehalten.
Das in diesen Beispielen verwendete Nickel war elektrolytisches Nickel, während die Titanzugabe in Form einer Kupfer-Titan-Legierung erfolgte, die nominell 24 Gew.- /o Titan enthielt. Jede Berylliumzugabe zur Schmelze erfolgte ebenfalls in Form einer Legierung auf Kupferbasis, die nominell 4 Gew.-O/o Beryllium enthielt. Das verwendete Kupfer war von hoher Reinheit; selbstverständlich ist erfindungsgemäss jedoch auch Kupfer von geringerer Reinheit, z. B. einer Reinheit von 99,5 O/o, verwendbar.
Nach dem Schmelzen wurden die Legierungen auf Kupferbasis zur Bildung von Gussstücken in Formen von 2,5 cm Durchmesser gegossen. Die Gussstücke waren durch gute, saubere, glatte Oberflächen gekenn zeichnet. Das Schmelzen und Giessen erfolgte unter einer Schutzdecke aus Argon. Erfindungsgemäss kann das Schmelzen und/oder Giessen selbstverständlich auch mit Erfolg an der Luft durchgeführt werden.
Jedes der oben genannten Gussstücke wurde angebohrt, um Proben für die chemische Analyse zu erhalten; die Zusammensetzung ist in der folgenden Tabelle 2 angegeben:
Tabelle 2 Legierung Zusammensetzung in Gew.- /o
Nr. Nickel Titan Beryllium Kupfer
1 29,5 0,64 - Rest
2 30 0,19 0,37 Rest
3 30 0,65 0,1 Rest
4 29,9 0,67 0,31 Rest
5 29,95 0,14 0,39 Rest Legierung Zusammensetzung in Gew.- /o
Nr.
Nickel Titan Beryllium Kupfer
6 30,1 0,57 - Rest
7 30,8 0,66 - Rest
8 30,2 0,76 - Rest
9 30,1 0,67 - Rest
10 30 0,15 0,4 Rest enthielt noch 0,88 O/o Eisen und 0,98 O/o Magnesium
Gemäss dem für die Legierungen 1 bis 10 angewendeten Verfahren wurden vier weitere Kupfer-Nickel Legierungen, die nicht unter den Umfang der vorliegende den Erfindung fallen, jedoch den erfindungsgemässen Legierungen ähnlich zu sein scheinen, zu Gussrohlingen von 2,5 cm Durchmesser verarbeitet. Gemäss chemischer Analyse hatten diese vier anderen Legierungen die folgende Zusammensetzung:
Tabelle 3 Legierung Zusammensetzung in Gew.-O/o
Nr.
Nickel Titan Beryllium Silicium Niob Zinn Kupfer
11 29,4 - - 0,52 0,17 - Rest
12 29,2 1,4 - - - - Rest
13 28,9 1,38 - - - 2,44 Rest
14 29 1,51 0,07 - - 2,5 Rest
Dann wurden alle 14 Legierungen heiss verwalzt, indem jeder Rohling 1 Stunde auf 950 0C vorerhitzt wurde. Die erfindungsgemässen Legierungen 1-10 wurden erfolgreich auf Stäbe von 0,65 cm Durchmesser heruntergewalzt, während die nicht erfindungsgemässen Legierungen 11-14 splitterten. Es ist daher klar, dass die erfindungsgemässen Legierungen heiss bearbeitbar und in geschmiedeter Form wertvoll sind. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Erhöhung des Titangehaltes über den oberen Teil der oben angegebenen Bereiche hinaus, z. B. wie bei Legierung 12, eine nachteilige, spröde machende Wirkung hat.
Die erfindungsgemässen, heiss bearbeiteten Legierungen wurden dann verschiedenen Behandlungen einschliesslich Wärmebehandlungen, z. B. Lösungsglühen, und Kaltbearbeitungen unterworfen. Diese Behandlungen waren wie folgt: Behandlung A: Lösungsglühen auf 1040 OC unter Holzkohle für 30 Minuten und anschliessendes Abschrecken mit Wasser; zu 71 O/o kalt bearbeitet zu Draht von 0,338 cm Durchmesser; dann wiederum bei 1040 OC 30 Minuten unter Holzkohle lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt.
Behaeldtung B: Unter Holzkohle 30 Minuten bei 1040 0C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt; zu 78 O/o kalt zu Draht von 0,295 cm Durchmesser bearbeitet; 30 Minuten bei 1040 0C unter Holzkohle lö sungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt; dann zu 51,2 O/o kalt zu Draht von 0,201 cm Durchmesser bearbeitet.
Behandlung C: 30 Minuten unter Holzkohle bei 980 C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt; zu 90 O/o kalt zu Draht von 0,201 cm Durchmesser bearbeitet.
Behandlung D: Unter Holzkohle 30 Minuten bei 980 0C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt; zu 71 O/o kalt zu Draht von 0,338 cm Durchmesser bearbeitet; dann wiederum 30 Minuten unter Holzkohle bei 980 "C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt.
Behandlung E: Eine Stunde unter Holzkohle bei 1040 0C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt; zu 71 O/o kalt zu Draht von 0,338 cm Durchmesser bearbeitet; und dann wiederum 30 Minuten unter Holz.
kohle bei 1040 0C lösungsgegiüht und mit Wasser abgeschreckt.
Behandlung F: Eine Stunde unter Holzkohle bei 1040 0C lösungsgeglüht und mit Wasser abgeschreckt und zu 90 O/o kalt zu Draht von 0,201 cm Durchmesser gezogen.
Beispiel 2
Um die Eigenschaften der erfindungsgemässen Kupfer-Nickel-Legierungen bei Zimmertemperatur im nicht vergüteten, jedoch kaltbearbeiteten Zustand zu zeigen, wurden Proben dieser Legierungen physikalisch auf Bruch getestet; weiterhin wurde für jede Probe der UTS- und YS-Wert in kg/cm2 bestimmt. Ausserdem wurden die Dehnungsprozente in 5,1 cm festgestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben:
Tabelle 4 Legierung Behandlung UTS YS Dehnung
Nr. kg/cm2 kg/cm2 O/o
1 B 6510 6000 4
2 B 7650 7220 4
3 B 6980 6630 3
4 B 8150 7650 4
5 C 8850 8000 3
6 F 6850 6300 3
7 F 7000 6510 4
8 F 6950 6630 4
9 F 7360 7000 4
Tabelle 4 zeigt, dass die erfindungsgemässen Legierungen eine gute Festigkeit bei Zimmertemperatur sowie eine zufriedenstellende Duktilität im kaltbearbeiteten, jedoch nicht vergüteten Zustand haben.
Beispiel 3
Um die günstigen Eigenschaften der erfindungsgemässen, kaltbearbeiteten Legierungen bei hohen Temperaturen zu zeigen, wurden Proben dieser Legierungen nach der in Tabelle 3 aufgeführten Behandlung vergütet.
Jede Legierung wurde 1 Stunde auf der Vergütungstemperatur gehalten und mit Wasser abgeschreckt. Die Ergebnisse des mechanischen Testens nach der Vergütung bei den angegebenen Temperaturen und Abschrekken mit Wasser sind in Tabelle 5 aufgeführt:
Tabelle 5 Legierung Vergütungstemperatur
Nr. 600 OC 700 OC 750 OC
UTS YS UTS YS UTS YS kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2
1 7800 7000 7980 7130 7280 5050
2 8950 7280 6050 4240 5370 3150
3 9160 8000 7300 5910 6440 4870
4 9300 7500 6480 4380 5880 3470
5 9900 8440 5420 3150 - -
6 7630 7100 7430 6160 6510 5280
7 7980 7300 7770 6580 6830 5630
8 7800 7280 7140 6090 5150 4870
9 7900 7280 7630 6550 6830 5630
Aus den Testdaten von Tabelle 5 geht hervor, dass die erfindungsgemässen Legierungen bei Temperaturen über 600 C, z.
B. 750 C, sehr wertvolle Festigkeitseigenschaften haben. Tatsächlich hatte die Legierung 1 eine äusserste Zugfestigkeit von 6230 kg/cm2 und eine Streckgrenze von 4830 kg/cm2, als man sie auf Bruch testete, nachdem die Legierung zuerst auf 780 OC erhitzt, eine Stunde auf dieser Temperatur gehalten und mit Wasser abgeschreckt worden war. Die Legierung 5 hatte eine äusserste Zugfestigkeit von 4800 kg/cm2, als man sie auf Bruch testete, nachdem sie zuerst auf die sehr hohe Temperatur von 800 OC eine Stunde erhitzt und dann mit Wasser abgeschreckt worden war.
Als Vergleich und zur weiteren Darstellung der ausgezeichneten Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen wurde eine Anzahl bekannter Kupfer-Nickel Legierungen und nicht unter die vorliegende Erfindung fallender Legierungen hergestellt und in oben beschriebener Weise getestet. Diese Vergleichslegierungen und ihre Zusammensetzung ist in Tabelle 6 angegeben:
Tabelle 6 Legierung Bestandteile in Gew.-0/o (der Rest ist Kupfer)
Nr.
Nickel Titan Beryllium Eisen Mangan Niob andere
15 30,4
16 28,9 - - - - - 0,14 Zirkonium
17 29,4 - ¯ ¯ ¯ 0,16 0,1 Zirkonium
0,52 Silicium
18 30,4 0,15 - - - -
19 29,4 0,21 0,1 - - -
20 30,27 - - - - - 0,3 Chrom
21 29,67 - - - - - 0,52 Chrom
22 30 - - 0,86 1,02 - -
23 30 0,45 - - - - -
Dann wurden die Legierungen mit Ausnahme von Nr. 20 und 21 einer der Behandlungen A bis F unterworfen, eine Stunde bei 700 OC und 750 "C wärmebehandelt, mit Wasser abgeschreckt und auf Bruch getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Legierung 20 und 21 wurden nur eine Stunde bei 600 OC wärmebehandelt.
Tabelle 7 Legierung Behandlung Temperatur
Nr. 700 OC 750 C
UTS YS UTS YS kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2
15 B 3180 875 3150 1000
16 B 6230 1510 4060 945
17 B 4730 2490 4620 2660
18 B 3710 1440 3710 1400
19 B 6230 1820 4030 1640
20* C 4620 2520 - -
21* C 5950 4900 -
22 F 4340 1720 4270 1580
23 F 4270 2070 6230 1580 *1 Stunde auf 600 C erhitzt und mit Wasser abgeschreckt
Aus Tabelle 5 und 7 geht hervor, dass jede der Legierungen 1 bis 9 (erfindungsgemäss) bessere Eigenschaften bei hohen Temperaturen hatte als die nicht erfindungsgemässen Legierungen 15 bis 23. So hat z. B.
Legierung 1 und 9 bei der höheren Temperaturbehandlung eine 2mal so hohe Streckgenze wie der höchste Wert einer Streckgenze von Legierung 15 bis 23, die nicht unter die vorliegende Erfindung fallen.
Ein Vergleich der Tabellen 5 und 7 zeigt weiterhin deutlich die Wirkung der Anderung des Titangehaltes oder Titan- plus Berylliumgehaltes auch nur wenig unter den unteren Teil des erfindungsgemäss angegebenen Bereiches, wenn die beabsichtigte Verwendungstemperatur über etwa 600 OC liegt. Diese Wirkung zeigt sich am besten !durch die erfindungsgemässe Legierung 1 und die nicht erfindungsgemässe Legierung 23. Die Streckgrenze von Legierung 1 nach einer Wärmebehandlung bei 750 OC beträgt 5950 kg/cm2, was mehr als das Dreifache des Streckgrenzwertes von 1580 kg/cm2 für Legierung 23 ist, die 0,45 O/o Titan enthält, obgleich Legierung 23 zu 35 Olo mehr kaltbearbeitet wurde als Legierung 1.
Beispiel 4
Die Wirkung von Titan in Verbindung mit Beryllium in Mengen von mindestens 0,4 ovo wurde durch einen Vergleich der (nicht vergüteten) Zimmertemperaturproben von Legierung 2, die 0,19 O/o Titan und 0,37 O/o Beryllium enthielten, und Legierung 5, die 0,14 O/o Titan und 0,39 O/o Beryllium enthielten, mit Legierung 19 gezeigt, die 0,21 0/0 Titan und 0,1 0/0 Beryllium für insgesamt nur 0,31 /0 Titan und Beryllium enthielten. Legierung 19 hatte eine Streckgrenze von nur 6130 kg/cm2 im Vergleich zu 7210 kg/cm2 für Legierung 2 und 7980 kg/cm2 für Legierung 5.
Wurde die Legierung 19 wie Legierung 2 der Behandlung B unterworfen und dann eine Stunde bei 700 C vergütet und mit Wasser abgeschreckt, zeigte sie eine Streckgrenze von nur 1820 kg/cm2, während Legierung 2 nach einer identischen Behandlung eine Streckgrenze von 4240 kg/cm2 hatte, was mehr als 100 O/o über dem Wert für Legierung 19 lag.
Beispiel 5
Um die nicht durch irgendwelche Kaltbearbeitung verschleierte Wirkung der Vergütungsbehandlung zu zeigen, wurden erfindungsgemasse und nicht erfindungs- gemässe dead soft -Legierungen 2 Stunden bei unterschiedlichen Temperaturen vergütet, mit Wasser abgeschreckt und auf Bruch getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 aufgeführt. Weiterhin angegeben wurden die mechanischen Testergebnisse im dead soft -Zustand und im unvergüteten Zustand.
Tabelle 8 Legierung Behand- O,I /o offset, Streckgrenze in kg/cm2 (YS)
Nr. lung unver- Vergütungstemperatur in cc gütet
600 650 700 750
1 A 1020 4230 3010 3640 2730
2 A 1960 5180 2980 2480 2240
3 A 1260 3530 3760 3320 3840
4 A 2700 6550 5880 4130 3400
5 D 2070 3150 - - -
6 E 1050 1960 2380 3180 2560
7 E 980 2030 2520 3180- 2560
8 E 1190 2030 2450 2940 2520
9 E - 2000 2280 2940 2420
15 A 805 770 740 770 810
16 A 1300 1300 1260 1260 1230
17 A 1610 1680 1650 1650 1510
18 A 1050 1120 1120 1050 1050
19 A 1260 1400 1230 1370 1190
20 D 1020 1190 - - -
21 D 1470 1510 - -
22 E 1120 1120 1020 1190 1120
23 E 1330 1940 2030 1260 1120
Tabelle 8 zeigt,
dass die Legierungen 1 bis 9 ein deutliches Ansprechen auf die Vergütung haben, während dies bei den nicht erfindungsgemässen Legierungen, mit Ausnahme von Nr. 23, nicht der Fall ist. Obgleich Legierung 23 vergütbar scheint, sinkt ihre Festigkeit schnell von einer Vergütungstemperatur von 650 9C aufwärts an ab. So beträgt bei der Vergütungstemperatur von 750 OC die Streckgrenze nur 1120 kg/cm2, was weniger als die Hälfte des Wertes der Legierungen 1 bis 9 ist. Auch die äussersten Zugfestigkeiten der erfindungsgemässen Legierungen sind höher als die der nicht erfindungsgemässen Legierungen. So zeigt z. B. Legie rung 4 im bei 650 0C vergüteten Zustand einen UTS Wert von 8160 kg/cm2 im Vergleich zu 3820 kg/cm2 für Legierung 18.
Beispiel 6
Die Eigenschaften bei hoher Temperatur der erfindungsgemässen Legierungen wurden durch Zeitstandverfahren-Tests mit Legierung 10 dargestellt. Bei einer Temperatur von 300 OC und einer Belastung von 5941 kg/cm2 brach die Probe selbst nach 2470,4 Stunden nicht. Der Mindestkriechwert für diese Probe betrug 1,2X10-7 cm/cm pro Std. Das heisst es würde über 11 Jahre dauern, bis sich eine Probe von 2,5 cm um 1 O/o gedehnt hätte.
Bei einer Testtemperatur von 400 OC und derselben Belastung hatte eine andere Probe eine Bruchzeit von 77 Stunden und einen Mindestkriechwert von 1,6 X 10 - 4 cm/cm/Std. Bei einer Belastung von 4571 kg/cm2 erhöhte sich die Bruchzeit auf 333,5 Stunden.