CH621577A5

CH621577A5 -

Info

Publication number: CH621577A5
Application number: CH908176A
Authority: CH
Inventors: Pierre Marechal
Original assignee: Straumann Inst Ag
Priority date: 1976-07-15
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1981-02-13
Also published as: CA1091957A; JPS5311117A; US4147568A; FR2358469B1; FR2358469A1; FI772028A; FI66916B; DE2635947A1; JPS5551507B2; DE2635947C3; AU2686877A; FI66916C; GB1508259A; SE439782B; SE7708212L; AU507768B2; DE2635947B2

Description

Ziel der vorliegenden Erfindung war die Schaffung einer dem Neusilber ähnlichen Legierung auf Kupfer-Zink-Nickel-Mangan-Basis, die einerseits durch Kaltverformung auf höhere

Festigkeit als alle bisher bekannten Neusilber-Legierungen verfestigt werden kann, wobei jedoch die hohe Duktilität erhalten bleiben soll, und die andererseits durch eine Wärmebehandlung aushärtbar sein soll, durch welche Festigkeiten erhalten werden sollen, die mindestens gleich hoch sind wie diejenigen der bekannten Neusilber-Legierungen und der besonders in der Elektrotechnik verwendeten Kupfer-Beryllium-Legierungen. Nach Möglichkeit soll jedoch die Festigkeit des neuen Materials in thermisch ausgehärtetem Zustand grösser sein als die Festigkeit der beiden vorgenannten Materialien, ohne dass hiezu jedoch ein Be-Zusatz nötig ist Die neue Legierung soll zudem eine schöne weisse, nicht gegen das Gelbliche hin gehende Farbe haben. Überdies soll sie sich preiswert herstellen lassen und in ihren übrigen Qualitäten den bekannten Neu-silber-Legierungen und den Cu-Be-Legierungen mindestens ebenbürtig sein. Diese erfindungsgemässe Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält:

38-42% Cu,

23-26,5% eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In, mit der Einschränkung, dass Sn + In höchstens 10% betragen,

19,5-22,5% eines oder mehrerer der Elemente Ni, Co, mit der Einschränkung, dass der Co-Gehalt höchstens 5% beträgt, 12-16% Mn,

0,05-0,3% seltene Erden, sowie als Oxidationselemente dienende Zusätze aus der Gruppe Li, Mg, Ca, Ti und als übliche Verunreinigung Fe. Bei einer besonders zweckmässigen Ausführungsform der Legierung sind die Hauptbestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden:

40% Cu,

24,8% Zn, von denen bis zu 10% durch Sn und/oder In ersetzt sein können,

21 % Ni, von denen bis zu 5% durch Co ersetzt sein können, 14% Mn,

0,2% SE.

Für die Erschmelzung dieser neuen Legierung kann die übliche Erschmelzungspraxis der bisher bekannten ternären, Cu-Ni-Zn, bzw. quaternären Cu-Ni-Mn-Zn, Neusilber-Legierun-gen, bzw. der bisher bekannten Cu-Be-Legierungen angewendet werden.

Der Schmelzbereich dieser neuen Legierung liegt zwischen 850 ° und 960 °, also 150-200 ° niedriger als zum Beispiel der Schmelzbereich der bekannten CuNil8-Zn20-Neusilber-Legierung. Dadurch wird das Schmelzen und Giessen wesentlich vereinfacht, da man folgende Vorteile erreichen kann: Man spart Energie, es treten geringere Verluste an Zn und Mn auf, die gewünschte Sollzusammensetzung Iässt sich besser einhalten, der Schmelztiegel und die Gusskokillen sowie andere Hilfsmittel haben eine längere Standzeit Die Legierung kann zum Beispiel in der Luft mit einer Holzkohlendecke oder mit Boraxbzw. Kryolith-Schlacke erschmolzen werden, wobei die aushärtenden bzw. desoxydierenden Zusätze, also Be bzw. SE, erst unmittelbar vor dem Giessen zulegiert werden sollen. Die Legierung kann im Temperaturbereich von 600 bis 730 °C warm verformt werden, vorzugsweise bei 670-7100 durch Strangpressen, bei 630-670 °C durch Walzen und Schmieden. Die neue Legierung lässt sich gut warmverformen, es sind hohe Querschnittsreduktionen, z. B. im Verhältnis von 40:1 durch Warm-Strangpressen, möglich. Die verhältnismässig niedrige Warm-Umform-Temperatur ermöglicht eine lange Standzeit der Warm-Umformwerkzeuge. Alle diese Vorteile ergeben eine hohe Wirtschaftlichkeit der Warm-Umformungsprozesse.

Die Legierung ist oberhalb von ca. 550 ° einphasig, sie weist die sogenannte a-Phase aus. Unterhalb von ca. 550 °C scheidet im warm verformten Zustand nur langsam eine tetragonale Phase und, falls die Legierung Be enthält, auch noch eine intermetallische Phase aus. Da die Ausscheidungsgeschwindigkeiten beider Phasen klein sind, ist die Abkühlungsgeschwindig5

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keit von den Warm-Umformungs-Temperaturen auf Raumtemperatur vor der Kaltumformung gar nicht kritisch, so dass bei Raumtemperatur die Legierung noch einphasig ist und sich problemlos kaltverformen lässt. Querschnittsabnahmen bis zu 95% sind an warm stranggepressten Stäben von 16 und 25 mm 5 Durchmesser, die von 690 °C auf Raumtemperatur in Luft abgekühlt wurden, durchgeführt worden. Kaltverformungsgrad von 90%, als Querschnittsabnahme ausgedrückt, sind durch Walzen, Rollen, Hämmern, Ziehen, Schmieden und andern Verfahren möglich, da die Legierung im geglühten Zustand weich ist, 10 nämlich eine Vickershärte von nur 110 kp mm-2 aufweist. Zwar ist die Verfestigung durch Kaltverformung stärker als bei den bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen, jedoch weist die neue Legierung bei der Kaltverformung eine geringere Duktilitätsabnahme auf, wodurch die 15 Gefahr eines Bruchs durch Überbeanspruchung des Materials während der Umformung praktisch ausgeschaltet ist, was gegenüber den bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen auch eine erhöhte Wirtschaftlichkeit zur Folge hat und die Herstellung von komplizierten Profilen 20 bzw. Teilen deutlich vereinfacht oder überhaupt ermöglicht.

Dadurch sind auch weniger Zwischenglühungen - Rekristal-lisationsglühungen - nötig. Die Rekristallationsglühungen können zwischen 570 und 630 °C, vorzugsweise 600 °C, durchgeführt werden. 25

Da die Legierung durch Wasserstoff nicht versprödet wird, können die thermischen Behandlungen aller Art, z. B. Rekristal-lisationsglühung und Aushärtung, in reinem Wasserstoffgas oder einer Wasserstoffgas enthaltenden Atmosphäre gemacht werden. 30

Es wurden bei Werkstücken aus einer Legierung mit

40% Cu 24,8% Zn

20% Ni 35

15% Mn 0,10% Be 0,10% SE,

die bei 600 °C geglüht worden sind und anschliessend kalt rund 40 gewalzt wurden, die folgenden Werte für die Vickers-Härte ermittelt:

geglüht

20% kalt verformt 30% kalt verformt 40% kalt verformt 50% kalt verformt 75% kalt verformt 90% kalt verformt llOkpmm"2 200 kp mm"2 215 kp mm-2 230 kp mm-2 240 kp mm-2 250 kp mm-2 270 kp mm-2

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Da erfahrungsgemäss für diese Legierungen das Verhältnis zwischen Härte und Festigkeit 2,1-2,3 beträgt, erreicht man mit der Kaltverformung Zugfestigkeiten bis zu 1300 N mm-2.

Wird diese kaltverformte Legierung zwischen 300 und 450 °C wärmebehandelt, wobei zwischen 370 und 420 °C ein Optimum vorhanden ist, so ist eine starke Festigkeitssteigerung bis zu 1750 N mm-2 zu beachten.

Als weitere mechanische Eigenschaft konnte gemessen werden nach 30-90%iger Kaltverformung, Aushärtung bei 390 °C:

Gleichmassdehnung:

1-4% je nach Festigkeit, nämlich 1,5-2,5% bei 1750 N mm-2 3-4% bei 1500 N mm-2 Bruchdehnung:

3-6% bei 1750 N mnr2 5-8% bei 1500 N mm-2

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Dabei ist zu beobachten, dass die Anlasszeit je nach dem Kaltverformungsgrad des Ausgangsmaterials nicht gleichlang ist, um die höchst erreichbare Zugfestigkeit zu erreichen. Es wurden die folgenden Zeiten festgestellt bei 390 °C: 30% kaltverformt 13 Stunden bei 390 °C 60% kaltverformt 9 Stunden bei 390 °C 90% kaltverformt 1,5 Stunden bei 390 °C

Erfahrungsgemäss ist ab ca. 20-30% Kaltverformung die höchst erreichbare Zugfestigkeit nicht mehr von dem Kaltverformungsgrad des Ausgangsmaterials abhängig. Ohne Kaltverformung lässt sich eine Festigkeit bis zu 1300 bis maximal 1600 N mnr2 erreichen.

Diese Eigenschaften der neuen Legierung sind wesentlich besser als die entsprechenden Eigenschaften der bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen sowie der vorbekannten aushärtbaren Cu-Be-Legierungen. So weist zum Beispiel die nicht aushärtbare ternäre Neusilber-Legierung mit 62% Cu-18% Ni und 20% Zn, die vorzugsweise als Federwerkstoff verwendet wird, im kaltverformten Zustand eine minimale Festigkeit von nur 610 N mm-2 und eine mind. Dehnung von nur 1 % auf. Die aushärtbare Cu-Be-Legierung mit der Zusammensetzung 1,8-2,1 % Be, Co+Ni+Fe 0,2-0,6%, Rest Cu, die vorzugsweise ebenfalls als Federwerkstoff verwendet wird, weist im voll ausgehärteten Zustand eine Festigkeit von nur 1500 N mm-2 und eine Bruchdehnung von nur 1 % auf.

Die sehr hohe Festigkeit der ausgehärteten, kalt verformten, neuen Legierung ist durch die Ausscheidung unterhalb ca. 550 °C der schon erwähnten tetragonalen Phase und, falls die neue Legierung Be enthält, noch durch die Ausscheidung der ebenfalls schon erwähnten intermetallischen Phase bedingt.

Die hohe Festigkeit bleibt bei ausgehärteten Werkstücken aus der erfindungsgemässen Legierung bis zu Temperaturen von 200-250 °C erhalten, während bei Werkstücken, beispielsweise Federn, aus der CuNil8Zn20-Neusilber-Legierung die Festigkeit schon nach verhältnismässig kurzzeitiger Erwärmung auf 250 °C um 7%-15% gegenüber der Anfangsfestigkeit abnimmt.

Die neue Legierung weist noch folgende physikalische Eigenschaften auf, wobei in Klammer die entsprechenden Werte der bekannten Legierung CuNil8Zn20 angegeben sind:

Elektrische Leitfähigkeit:

geglüht:

2,7-2,9 • IO6«"1 m-1 (3-3,5 - ÎO6^"1 m"1 30-90% kalt verformt: 2,4-2,7 106 m-1 ausgehärtet: 30-90% kalt verformt, bei 390 °C vergütet: 2,7-2,9- IO6fi"1 m-1

Durch «Übervergütung» kann die elektrische Leitfähigkeit noch um ca. 50% erhöht werden.

E-Modul:

geglüht und kalt verformt: ca. 1,1 • 105Nmnr2 (1,25-1,35 - 105N mm-2>

ausgehärtet, 30-90% kalt verformt, bei 390 °C vergütet: ca. 1,2-1,3 • 105N mm-2.

Magnetismus: nicht magnetisch Dichte: 8,08 kg/dm3^ kg/dm3)

Bei Werkstücken aus einer modifizierten Legierung, nämlich einer Legierung, bei welcher ein Teil des Ni-Gehalts durch Co ersetzt wurde und die die folgende Zusammensetzung aufweist:

40% Cu 24,8% Zn 20% Ni 1 % Co 14% Mn 0,10% Be 0,10% SE

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sind bei gleicher mechanischer und thermischer Behandlung Zugfestigkeiten von 1850 N mnr2 und mehr gemessen worden.

Bei Werkstücken aus einem dritten Legierungsbeispiel mit der Zusammensetzung

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23,8% Zn 2% Sn 20% Ni 1 % Co

14% Mn io

0,05% Be 0,05% SE Rest Cu wurden ähnliche Werte gemessen. 15

Die Anlaufbeständigkeit der neuen Legierung in der Luft ist deutlich besser als diejenige der vorbekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen und als diejenige der ebenfalls vorbekannten Cu-Be-Legierungen.

Das Anlaufen in 3%iger Natriumchlorid-Lösung, bei ca. 20 40 °C, ist nur gering gegenüber dem Anlaufen der vorbekannten Vergleichslegierungen.

Im gesättigten Ammoniakdampf ist die neue Legierung absolut nicht spannungs-risskorrosionsanfällig.

Eine Oberflächenbehandlung durch galvanische Überzüge 25 (Verchromung, Vernickelung, Versilberung, Vergoldung) ist für sehr viele Anwendungsfälle nicht nötig, da sowohl die Anlaufbeständigkeit wie die natürliche Farbe keine derartigen Behandlungen bedingen.

Die neue Legierung lässt sich weich- bzw. hartlöten und auch schweissen. Kurzzeitige Verarbeitungstemperaturen unter 350-400 °C führen zu keiner Entfestigung der kaltverformten bzw. ausgehärteten Teile.

Da die Festigkeits- und Federungseigenschaften der neuen Legierung 1,8-3 mal höher sind als die entsprechenden Eigenschaften der bekannten Neusilber-Legierungen im allgemeinen und der CuNil8Zn20-Neusilber-Legierung, die vorzugsweise als Federwerkstoff verwendet wird, und ca. 1,2-1,3 mal höher als die entsprechenden Cu-Be-Legierungen, die ebenfalls vorzugsweise als Federwerkstoffe verwendet werden, lässt sich die neue Legierung besonders gut für die Herstellung von Federn aller Art sowie auch für die Herstellung elektrischer Kontaktteile verwenden.

Wegen ihrer ausgezeichneten Kaltverformbarkeit ist die Legierung von besonderer Bedeutung für die Anfertigung durch beispielsweise Walzen bzw. Rollen, Ziehen, Tiefziehen und Schmieden von komplizierten Profilen oder Teilen, die nachträglich gehärtet werden können.

Da die Duktilität der neuen Legierung besonders hoch ist, eignet sie sich für das Stanzen von komplizierten Teilen, die nach der Fertigverarbeitung noch ausgehärtet werden können, wie z. B. Rohlinge für Sicherheitsschlüssel. Die hohe Festigkeit und Duktilität der neuen Legierung im voll gehärteten Zustand machen diese Legierung besonders geeignet für viele Teile, die ausserdem auch abriebfest sein sollen und nicht magnetisch sein müssen, wie z. B. Wellen, und für zahlreiche Teile der Feinwerktechnik und des Apparatebaues.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Aushärtbare, dem Neusilber ähnliche Cu-Zn-Ni-Mn-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält

38-42% Cu,

23-26,5% eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In, mit der Einschränkung, dass Sn + In höchstens 10% betragen,

19,5-22,5% eines oder mehrerer der Elemente Ni, Co, mit der Einschränkung, dass der Co-Gehalt höchstens 5% beträgt,

12-16% Mn,

0,05-0,3% seltene Erden, sowie als Oxidationselemente dienende Zusätze aus der Gruppe Li, Mg, Ca, Ti, und als übliche Verunreinigung Fe.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden sind:

24,8% eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In,

21 % eines oder mehrerer der Elemente Ni +Co,

14% Mn,

0,2% seltene Erden,

Rest Cu.
3. Verfahren zur Herstellung kaltverformbarer Legierungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei welcher sie bei Temperaturen >550 °C geglüht, langsam abgekühlt und bei 300-450 °C angelassen werden.

Unter Neusilber (Nickel silver im englischen Sprachgebrauch, maillechort blanc argent im französischen Sprachgebrauch und Alpacca oder Alpaca im italienischen und spanischen Sprachgebrauch) versteht man eine Ni-Cu-Zn-Legierung von silberähnlicher Farbe, guter Korrosionsbeständigkeit und guten Festigkeitseigenschaften, die als Konstruktionswerkstoff in der Mechanik, Elektrotechnik, Architektur und auch für die Herstellung von Schmuck und kunstgewerblichen Gegenständen verwendet wird.

Bekannte Neusilberlegierungen enthalten beispielsweise: 45-70%, vorzugsweise 60-64%, Kupfer (beispielsweise 62%),

8-45%, vorzugsweise 15-24%, Zink (beispielsweise 20%), 8-28%, vorzugsweise 12-25%, Nickel (beispielsweise 18%). Neusilberlegierungen mit Mn-Zusatz sind ebenfalls auch bekannt Sie enthalten beispielsweise noch:

1-15%, vorzugsweise 2-6%, Mangan (beispielsweise 4%). Diese vorbekannten Neusilber-Legierungen sind im allgemeinen nicht durch eine Wärmebehandlung aushärtbar, sie werden kaltverformt, um eine Festigkeitssteigerung zu erreichen, wobei die Duktilität stark erniedrigt wird. Sie weisen zwar eine weisse Farbe auf, die aber auf gelblich hin tendiert. Es ist des weitern eine Neusilber-Legierung bekannt mit 40-77% Cu, beispielsweise 50%

10-40% Zn, beispielsweise 20%

5-35% Ni, beispielsweise 10%

8-25% Mn, beispielsweise 20%

evtl. bis zu 3% Pb

Auch ist eine Cu-Ni-Be-Legierung bekannt, die mindestens 10% Cu mindestens 10% Ni 0,1-10% Be bis zu insgesamt 40% Aluminium, Mangan, Zink, Zinn oder Magnesium enthält.