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Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Mangan-Aluminium-Eisen-Knetlegierung.
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Legierungssysteme auf Basis von Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit aus. Die Dehngrenze Rp0,2 ist dabei im Vergleich zur Zugfestigkeit die wichtigere Kenngröße, da sie zur Dimensionierung gegen überelastische Beanspruchung verwendet wird und nur wenige technische Bauteile lediglich auf hohe Zugfestigkeit ausgelegt sind.
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In der Literatur sind bereits ternäre Cu-Al-Mn, quaternäre Cu-Al-Mn-X und quinäre Cu-Al-Mn-X-Y Legierungen beschrieben. Beispielsweise ist eine Shape-Memory-Legierung mit der ungefähren Zusammensetzung CuMn11AI8 bekannt. Die Zugfestigkeit und 0,2 %-Dehngrenze dieser Legierung liegen deutlich unter 1000 MPa. Des Weiteren existiert eine eisenfreie, genormte Cu-Al-Mn Legierung mit der Zusammensetzung CuAI9Mn2. Verschiedene sogenannte Heusler-Legierungen sind ebenfalls vom Typ Cu-Al-Mn.
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Aus der Druckschrift
GB 762 235 A sind eine Legierung der Zusammensetzung CuMn6,2Al9,7Fe4,6Zn0,5 sowie nickelhaltige Legierungen ähnlicher Zusammensetzung mit maximal 8 Gew.-% Mn bekannt. Die Zugfestigkeit der Legierungen liegt im Gusszustand zwischen 600 und 700 MPa, die Dehngrenze bei ungefähr 250 MPa.
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Des Weiteren ist aus der Druckschrift
FR 1 177 060 A eine Kupferlegierung mit 8,5 bis 9,5 Gew.-% Mn, 8 bis 10,5 Gew.-% Al, 2,5 bis 5 Gew.-% Fe und 2 bis 3 Gew.-% Ni bekannt. Die Zugfestigkeit der Legierung beträgt im Gusszustand ungefähr 600 MPa und die Dehngrenze ungefähr 260 MPa.
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Ferner sind aus der Druckschrift
US 2 715 577 A Legierung mit 10 bis 15 Gew.-% Mn, 6,5 bis 9 % Al, 2 bis 4 % Fe und 1,5 bis 6 % Nickel bekannt. Ein Beispiel mit der Zusammensetzung CuMn1 1,7A17,2Fe3,3Ni2,2 weist im Gusszustand eine Zugfestigkeit von 600 bis 700 MPa und eine Dehngrenze von ungefähr 280 MPa auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung bereitzustellen, die im warmumgeformten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 900 MPa, vorzugsweise mindestens 1000 MPa, und eine 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 650 MPa, vorzugsweise mindestens 850 MPa, sowie eine akzeptable Duktilität aufweist. Ferner sollte die Legierung kostengünstig sein.
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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt eine Kupfer-Mangan-Aluminium-Eisen-Knetlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% ein:
| Mn: | 11,0 bis 17,0 % |
| AI: | 10,0 bis 13,0 % |
| Fe: | 5,0 bis 8,0 % |
| optional Ti: | 0,01 bis 0,4 % |
| optional B: | 0,002 bis 0,3 % |
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Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Summe aus Aluminium-Anteil und Eisen-Anteil mindestens 16,5 Gew.-% beträgt.
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Eine Legierung der genannten Zusammensetzung weist eine besondere Kombination von Festigkeit und Duktilität auf. Die Zugfestigkeit beträgt mindestens 900 MPa, in ausgewählten Bereichen mindestens 1000 MPa, und die 0,2 %-Dehngrenze mindestens 650 MPa, in ausgewählten Bereichen mindestens 850 MPa. Die Bruchdehnung als Maß für die Duktilität liegt zwischen 0,5 % und 5,0 %, wobei die Bruchdehnung in bekannter Weise mit zunehmender Festigkeit abnimmt.
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Die Untergrenzen der Elemente Mn, Al und Fe sowie die Zusatzbedingung, dass die Summe aus Aluminium-Anteil und Eisen-Anteil mindestens 16,5 Gew.-% beträgt, sind so gewählt, dass die erforderliche Festigkeit erreicht wird. Die Obergrenzen der Elemente Mn, Al, und Fe sind so gewählt, dass eine Mindestduktilität gewährleistet wird. Eine Überschreitung dieser Grenzen würde zu einer Versprödung und auch zu einer Abnahme der Zugfestigkeit oberhalb bestimmter Elementgrenzen der Legierung führen. Dabei ist zu beachten, dass 1 Gew.-% Aluminium hinsichtlich der Versprödung ungefähr den gleichen Effekt wie 5 Gew.-% Mangan hat.
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Die optionalen Elemente Ti und B bewirken eine Kornfeinung des Gefüges.
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Die Legierung enthält keine teuren Elemente wie Nickel oder Zinn. Die Legierung weist ferner eine exzellente Ölkorrosionsbeständigkeit und eine hohe Schwingfestigkeit auf.
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Die Legierung liegt im gesamten Bereich der Zusammensetzung als α-β-Legierung vor, in deren Gefüge zusätzlich mangan- und/oder eisenhaltige Partikel oder derartige Ausscheidungen eingelagert sind. Die eisenhaltigen Partikel liegen in unterschiedlichen Größenklassen vor: Einerseits als Fe-Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 1 µm, welche die Korngrenzen verankern und einer Kornvergröberung bei der Warmumformung entgegenwirken, und andererseits auch in Form von kubisch-flächenzentrierten, eisen- und manganhaltigen Ausscheidungen von KIV-Phase (kappa-IV-Phase), welche nur ungefähr 20 bis 100 nm groß sind und zur besonders hohen Festigkeit dieser Legierung führen. Durch den hohen Fe-Gehalt von 5 - 8 % bilden sich besonders viele KIV-Ausscheidungen. Die Legierung enthält im Gegensatz zu konventionellen Aluminiumbronzen, wie beispielsweise CuAl10Ni5Fe4, keine spröde y-Phase.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Kupfer-Anteil höchstens 70,0 Gew.-% betragen. Indem der Maximalanteil von Kupfer in der Legierung beschränkt wird, wird indirekt ein Mindestanteil von Legierungselementen, insbesondere von Mn, Al und Fe, spezifiziert. Dadurch wird sichergestellt, dass die erforderliche Festigkeit der Legierung erreicht wird. Die Begrenzung des Kupfer-Anteils wirkt sich ferner positiv auf den Preis der Legierung aus.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Summe aus dem Mangan-Anteil, dem Eisen-Anteil und dem Dreifachen des Aluminium-Anteils mindestens 52,0 Gew.-% betragen. Auf diese Weise werden Legierungen mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa erreicht. Die dreifache Gewichtung des Aluminium-Anteils in der Summe bringt die besonders festigkeitssteigernde Wirkung des Aluminiums zum Ausdruck.
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Vorteilhafterweise kann der Mangan-Anteil in der Legierung 12,0 bis 16,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 13,0 bis 15,0 Gew.-% betragen. In diesem enger gefassten Bereich für den Mn-Anteil ergeben sich besonders günstige Eigenschaftskombinationen. Bei einem Mn-Anteil von mindestens 12,0 Gew.-% kann eine Zugfestigkeit von mindestens 1100 MPa erreicht werden. Durch eine Beschränkung der Obergrenze wird die Duktilität der Legierung günstig beeinflusst.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Aluminium-Anteil 11,0 bis 12,0 Gew.-% betragen. Aluminium hat einen großen Einfluss auf die Festigkeit, aber auch auf die Versprödung. Gleichzeitig reduziert Aluminium die Dichte der Legierung. Der Bereich zwischen 11,0 und 12,0 Gew.-% hat sich als besonders günstig hinsichtlich dieser Eigenschaften erwiesen.
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Bevorzugt kann der Eisen-Anteil in der Legierung 6,0 bis 7,0 Gew.-% betragen. Ein Mindestanteil an Eisen in Kombination mit Mangan ist zur Erzielung einer hochfesten Legierung wichtig, weil die Dehngrenze durch die Ausbildung von Mn- und Fe-reichen KIV-Ausscheidungen positiv beeinflusst wird. Deshalb ist es vorteilhaft, mindestens 6,0 Gew.-% Eisen in der Legierung vorzusehen. Die festigkeitssteigernde Wirkung des Eisens ist etwas kleiner als die des Aluminiums. Oberhalb eines Eisenanteils von 7 Gew.-% erfolgt keine weitere Verbesserung der Zugfestigkeit durch Eisen. Dennoch sollte der Eisen-Anteil so groß wie möglich sein, da Eisen die Dichte der Legierung reduziert und den Metallpreis absenkt. Eisen wirkt zudem kornfeinend.
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Insbesondere die Zusammensetzungen mit Mangan von 13,0 bis 15,0 Gew.-% in Kombination mit Aluminium von 11,0 bis 12,0 Gew.-% und Eisen von 6,0 bis 7,0 Gew.-% bieten den Vorteil, dass der Werkstoff eine geringe Dichte von ungefähr 6900 kg/m3 aufweist und somit eine deutliche Gewichtsersparnis, beispielsweise 25 % gegenüber Reinkupfer oder niedrig legiertem Kupfer und ungefähr 13 % gegenüber Stahl, erzielt werden kann.
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Besonders vorteilhafterweise kann die Legierungszusammensetzung so gewählt werden, dass die Legierung Mn- und Fe-reiche KIV-Ausscheidungen mit einem Volumenanteil von mindestens 20 % aufweist. Dies kann erreicht werden, indem die Anteile an Mn und Fe ausreichend hoch gewählt werden. Die kubisch-flächenzentrierten Mn- und Fe-reichen KIV-Ausscheidungen haben einen positiven Effekt auf die Dehngrenze der Legierung. Bei einem Volumenanteil von mindestens 20 % beträgt die Dehngrenze Rp0,2 mindestens 1000 MPa.
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Bevorzugt kann die Kupfer-Mangan-Aluminium-Eisen-Knetlegierung eine Kombination von Eigenschaften aufweisen, bei der die 0,2 %-Dehngrenze Rp
0,2 in Abhängigkeit von der Bruchdehnung x in % folgende Relation erfüllt:
0,2 %-Dehngrenze und Bruchdehnung werden dabei mittels eines Zugversuchs bei Raumtemperatur ermittelt.
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Durch diese Relation wird die vergleichsweise hohe Dehngrenze bei noch akzeptabler Bruchdehnung quantitativ beschrieben. Bei einer Bruchdehnung von beispielsweise 0,5 % erreicht die Legierung eine 0,2 %-Dehngrenze von ungefähr 1030 MPa.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Tabelle 1 zeigt Legierungsbeispiele mit ihren Eigenschaften im warmumgeformten Zustand. In der ersten Spalte ist die Zusammensetzung der jeweiligen Legierung dokumentiert. Die Legierungen wurden in einem Tammannofen erschmolzen und im konventionellen Kokillengussverfahren ohne Schutzgas als Platte der Abmessung 90 x 50 x 20 mm abgegossen. Die Legierungselemente Fe, Mn und Al wurden in Form von binären CuX-Vorlegierungen hinzuchargiert, wobei X für das jeweilige Legierungselement steht. Die Porosität nach dem Abguss betrug für alle Varianten weniger als 2 Vol.-%, meist sogar weniger als 1 Vol.-%. Die Platten wurden anschließend zwischen 750 und 800 °C warmgewalzt. Der Umformgrad, der als die relative Abnahme der Plattendicke definiert ist, betrug hierbei ungefähr 40 %. Die unvermeidbaren Verunreinigungen betrugen bei allen Beispielen weniger als 0,05 Gew.-%.
Tabelle 1: Legierungsbeispiele mit Eigenschaften im warmumgeformten Zustand
| Legierung | Bruchdehnung in % | Zugfestigkeit in MPa | Dehngrenze Rp0,2 in MPa | Mn+3Al+Fe |
| CuMn15Al12Fe6 | 0,5 | 1060 | 1042 | 57 |
| CuMn13AI12Fe6 | 0,7 | 1140 | 1005 | 55 |
| CuMn14AI12Fe6 | 0,8 | 1120 | 977 | 56 |
| CuMn12AI12Fe6 | 0,9 | 1100 | 971 | 54 |
| CuMn16Al11Fe6 | 0,9 | 1060 | 980 | 55 |
| CuMn17Al11 Fe6 | 1,3 | 1080 | 910 | 56 |
| CuMn14Al11Fe6 | 2,3 | 1060 | 862 | 53 |
| CuMn13Al10Fe7 | 4,6 | 945 | 697 | 50 |
| CuMn12Al10Fe7 | 6 | 923 | 651 | 49 |
| Vergleichsbeispiel 1 CuMn10Al11Fe4 | 2 | 918 | 806 | 47 |
| Vergleichsbeispiel 2 CuMn6,2Al9,7Fe4,6Zn | 12,5 | 810 | 564 | 39,9 |
| Vergleichsbeispiel 3 CuMn9,5Al10Fe5Ni2 | 6 | 950 | 500 | 44,5 |
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Tabelle 1 zeigt neun erfindungsgemäße Legierungsbeispiele und drei Vergleichsbeispiele. Bei den Beispielen der ersten neun Zeilen beträgt die Summe der Legierungselemente Al und Fe mindestens 17 Gew.-%, bei den Vergleichsbeispielen hingegen nur ungefähr 14 bis 15 Gew.-%. In der fünften Spalte ist die Summe aus dem Mangan-Anteil, dem Eisen-Anteil und dem Dreifachen des Aluminium-Anteils eingetragen.
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Alle erfindungsgemäßen Beispiele weisen ein Zugfestigkeit von über 900 MPa und eine 0,2 %-Dehngrenze von mindestens 650 MPa auf. Legierungen, bei denen die Summe aus dem Mangan-Anteil, dem Eisen-Anteil und dem Dreifachen des Aluminium-Anteils mindestens 53 Gew.-% beträgt, weisen eine Zugfestigkeit von über 1000 MPa und eine 0,2 %-Dehngrenze von über 850 MPa auf. Mit zunehmender Dehngrenze nimmt die Bruchdehnung kontinuierlich ab. Besonders günstige Eigenschaftskombinationen ergeben sich für Legierungen, bei denen die Summe aus dem Mangan-Anteil, dem Eisen-Anteil und dem Dreifachen des Aluminium-Anteils mindestens 54,0 und höchstens 56,0 Gew.-% beträgt.
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Die Legierungen CuMn13Al10Fe7 und CuMn12Al10Fe7 weisen eine 0,2 %-Dehngrenze zwischen 650 und 700 MPa und somit die geringsten Dehngrenzen der ersten neun Beispiele auf. Andererseits zeichnen sie sich durch eine hohe Bruchdehnung von 4,6 % beziehungsweis 6 % und somit eine größere Duktilität als die übrigen Legierungsbeispiele aus. Die Legierungen lassen sich nach dem Warmumformen richten. Ihre Dichte beträgt ungefähr 7100 kg/m3. Diese beiden Beispiele zeigen, dass durch moderate Änderungen der Legierungszusammensetzung die Eigenschaften der Legierung zielgerichtet angepasst werden können.
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Das Vergleichsbeispiel 1 weist zwar eine akzeptable Zugfestigkeit und eine ausreichende Dehngrenze auf, seine Bruchdehnung ist jedoch vergleichsweise gering: So zeichnet sich die Legierung CuMn14Al11 Fe6 gegenüber der Vergleichslegierung 1 durch eine deutlich höhere Festigkeit bei sogar etwas besserer Dehngrenze aus. Dies zeigt, dass das quaternäre Legierungssystem Cu-Mn-Al-Fe sensibel auf eine Änderung der Zusammensetzung reagiert.
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Das Vergleichsbeispiel 2 entspricht dem aus der Druckschrift
GB 762 235 A bekannten nickelfreien Beispiel. Die mechanischen Kennwerte wurden nach einer Warmumformung ermittelt. Die Legierung des Vergleichsbeispiels 2 ist hinsichtlich der Festigkeit den erfindungsgemäßen Legierungen unterlegen.
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Das Vergleichsbeispiel 3 entspricht einer aus der Druckschrift
FR 1 177 060 A bekannten Legierung. Die mechanischen Kennwerte wurden nach einer Warmumformung ermittelt. Die Legierung des Vergleichsbeispiels 3 weist zwar eine ausreichende Zugfestigkeit von 950 MPa auf, die Dehngrenze liegt jedoch unter den Anforderungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 762235 A [0004, 0031]
- FR 1177060 A [0005, 0032]
- US 2715577 A [0006]
