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Verfahren zur Behandlung von,warmaushärtbaren Kupferlegierungen, die
0,1 bis 6% Zirkon, Rest Kupfer mit den üblichen Verunreinigungen enthalten Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Kupferlegierungen, die Zirkon
aufweisen.
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In der Technik besteht ein großes Bedürfnis an Kupferlegierungen,
die sich durch eine hohe Verformungsfähigkeit auszeichnen, um beispielsweise im
kaltgezogenen Zustand noch zusätzliche Verformungsarbeiten, wie z. B. ein Anstauchen
von Schraubenköpfen, -vornehmen zu können.
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Von den Kupferlegierungen wird weiterhin gefordert, daß sie einen
hohen Korrosionswiderstand aufweisen und nicht zur Spannungskorrosion neigen. Vielfach
ist auch erwünscht, daß sich die Legierungen mit hoher Verformungsfähigkeit bei
gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit durch einen großen thermischen und elektrischen
Leitwert und auch noch durch gute Gleiteigenschaften auszeichnen.
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Für die vorerwähnten Zwecke wurden bisher in der Technik verschiedene
Werkstoffgruppen verwendet. Eine der bekannten Legierungsgruppen bilden die aushärtungsfähigen
Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie beispielsweise
bei der Verwendung für elektrische Kontakte einen schlechten Widerstand gegen Verbrennungserscheinungen
besitzen.
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Eine andere Gruppe auf der Basis Kupfer-Kadmium, gegebenenfalls noch
mit geringen Mengen an Magnesium, zeigt keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
und besitzt eine geringe Anlaßbeständigkeit.
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Schließlich wurden auch schon Legierungen auf der Basis Kupfer-Chrom
benutzt, deren Herstellung jedoch außerordentlich schwierig ist und die überdies
einen elektrischen Leitwert von nur 80% des Kupferleitwertes kennen. Diese Werkstoffe
lassen sich im übrigen infolge gewisser Sprödigkeitsbereiche beim Anlassen nur außerordentlich
umständlich verarbeiten. Im ausgehärteten Zustand lassen sie nur eine verhältnismäßig
geringe Dehnung erkennen und sind weiterhin bei Gleitbeanspruchungen nur für eine
hin- und hergehende Bewegung, nicht aber für eine gleichförmig rotierende brauchbar.
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Der Einfluß des Zirkons als Legierungsbestandteil war in der Fachwelt
nicht unbekannt. Er steigert die Härte und Festigkeit in Aluminiumlegierungen und
erhöht die Schwingungs- und Vibrationsfestigkeit, wenn er dem Kupfer zugesetzt wird.
Außerdem tritt eine Erhöhung der Reibungsfestigkeit und der elastischen Dauerbeanspruchung
ein, so daß zirkonhaltige Kupferlegierungen als Werkstoff für Federn, Konstruktionsteile
und für Lagerschalen benutzt werden. Erkannt wurde weiterhin, däß die Zugfestigkeit
um das 1,5fache des reinen Kupfers wächst und Werte von 55 kg/mm2 erreichbar sind,
so daß dieser Werkstoff sich für die Anfertigung elektrischer Leitungsdrähte als
recht brauchbar erwiesen hat. Der Anteil des Zirkons beträgt in diesem Falle 0,2
bis 3%. Es sind aber auch höhere Anteile von Zirkon, bis 15 %, in Kupferlegierungen
eingebracht worden.
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Die Erfindung beschäftigt sich nun mit aushärtbaren Legierungen, die
0,1 bis 6% Zirkon, Rest Kupfer mit den üblichen Verunreinigungen aufweisen. Um die
Wirkung des Versprödens auszuschalten, ist das Auftreten der Verbindung Zr Cu3 vermieden
und dafür gesorgt, daß die Menge an Verunreinigungen, wie z. B. an Zirkonoxyd, Zirkonsulfid
und anderen derartigen Zirkonverbindungen, äußerst gering gehalten wird und höchstens
0,1%, möglichst sogar nicht mehr als 0,050% beträgt.
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Den Legierungen können noch spanbrechende Elemente, wie z. B. Blei
oder andere Stoffe, einlegiert sein, die eine gleichartige Wirkung verursachen.
Diese Komponenten sollen in Mengen von 0,1 bis 3% in den Legierungen enthalten sein.
Es ist ferner möglich, auch noch bis 10% Nickel und/oder bis zu 5% Silizium, möglichst
in stöchiometrischem Verhältnis entsprechend den Verbindungen Ni Ti., Ni Ti, Ni.
Ti, Ni S i, Nie S i, hinzuzufügen, um die Aushärtungsfähigkeit zu erhöhen.
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Dabei wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß die Gußerzeugnisse,
also sowohl die Blöcke oder Barren oder aber auch die Gußstücke oder gegebenenfalls
auch die Halbzeuge, die aus diesen Legierungen gefertigt werden, bei Temperaturen
über 500 bis 950° C je nach Zusammensetzung der Legierungen geglüht,
anschließend
einer Kaltverformung und einer darauffolgenden Warmaushärtung zwischen 300 und 700°
C unterworfen werden. Gegebenenfalls kann auch nach dem Lösungsglühen noch eine
Warmverformung oberhalb 600° C. eingeschoben werden. Das Lösungsglühen wird in einer
oxydierenden Atmosphäre durchgeführt, wie z. B. im überhitzten Wasserdampf von etwa
500' C oder auch in einer gesättigten Dampfatmosphäre bei 500' C. Es -besteht
aber auch die Möglichkeit, das Lösungsglühen unter Anwendung einer neutralen oder
nicht oxydierenden Atmosphäre vorzunehmen.
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Bei -der Anwendung des- erfindungsgemäßen Verfahrens in der Behandlung
der in Frage kommenden zirkönhältigen Kupferlegierungen wurde überraschenderweise
festgestellt, daß die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, die Härte und die Dauer-
sowie Zeitstandfestigkeit auch in der Wärme sehr hoch ansteigen, weil die Rekristallisationstempcratur
um mehrere 100' C nach höheren Temperaturen verschoben wird gegenüber den nicht
nach- dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelten gleichen Legierungen. So
erhöht sich,, z. B. die elektrische Leitfähigkeit auf 56S E schon bei einem sehr
kleinen ZirkQnanteil von 0,2%, wobei die Härte auf 120 kg/mm2 und darüber anwächst.
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Um die Legierungen, mit denen sich die Erfindung befaßt, herzustellen,
wird vorteilhaft so vorgegangen, daß zunächst mit den üblichen technischen Hilfsmitteln
Kupfer unter oxydierenden Verhältnissen erschmolzen und anschließend durch Zusatz
von Phosphor oder anderen Desoxydierungsmitteln, wie beispielsweise Lithium, Magnesium,
Kalzium u. dgl. für diesen Zweck bekannten Stoffen, eine Desoxydation des-Kupferoxyduls
herbeigeführt wird. Anschließend kann das Zirkon entweder i0° Form des reinen Metalls
oder in Form von Zirkonschwamm oder aber auch als Vorlegierung, die .entweder-auf
dem Sinter- oder auf dem Schmelzwege hergestellt wurde, zulegiert werden.
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Infolge der Affinität von>Zirkon zu Sauerstoff sind besondere Maßnahmen
zur Verhütung der Oxydation erfoxderlich, wie beispielsweise ein Erschmelzen unter
Schutzgas öder ein Schmelzen unter einer Salz- oder Schlackendecke. Besonders vorteilhaft
hat sich das Schmelzen im Vakuum erwiesen, wobei das Vakuum zweckmäßig zwischen
10-i und 10-4 Torr liegen soll.
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DieLegierung wird abschließend im Einzelguß oder auch. im kontinuierlichen
Gießverfahren zu Blöcken oder Barren beliebiger Form und Größe vergossen. Es können
aber auch einzelne Gußstücke nach den allgemein gebräuchlichen Gießverfahren, gegebenenfalls
auch nachdem Genaugußverfähren, hergestellt werden.
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Diese Gußerzeugnisse werden entweder sofort aus der Glühhitze oder
nach ihrer Abkühlung und einem Wiedererwärmen auf Temperaturen gebracht, die über
der Löslichkeitsgrenze, also, über 500 bis 950' C, je nach Legierungszusammensetzung,
liegen. Dieser Lösungsglühbehandlung können auch Halbzeuge, die aus diesen Legierungen
durch Pressen oder Schmieden hergestellt sind, wie z. B. Sängen, Rohre oder Profile.
vnd auch Gußteile, unterwarfen werden. Sie werden dann anschließend in Wasser abgeschreckt
oder an der Luft zum Erkalten gebracht.;-Durch die Abschreckbehändlung gelingt es,
eine außerordentlich große Weichheit zu erzielen, die zwischen 50 und
90 H B lieg: Die Dehnungs- und Verformungsfähigkeit in diesem,Zustand ist
sehr hoch, so daß -der Werkstoff- durch Pressen, Walzen oder Ziehen sehr-stark kalkverfestigt
werden kann, ohne dabei Ge-_, fahr zulaufen, das Verformt? ": .xigsvermögen zu verlieren.
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. Wenn das Lösungsglühen in einer oxydierenden Atmosphäre durchgeführt
wird, besteht die Möglichkeit, infolge der Sauerstoffdiffusion Zirkon in Oxydform
überzuführen. Fürgewisse Zwecke, z. B. die 5 Verwendung von Gegenständen, von denen
eine gute - Gleitfähigkeit gefordert wird, ist eine solche Oxydation keineswegs
unerwünscht, weil hierdurch diese Eigenschaft noch verbessert wird. Eine Oxydation
in einer dünnen Oberflächenschicht läßt sich beispielso weise durch Glühen im überhitzten
Dampf von etwa 500' C oder auch in einer gesättigten Dampfatmosphäre bei 500' C
erreichen. Durch eine solche Behandlung steigt überraschend auch die elektrische
und thermische Leitfähigkeit.
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Wenn eine solche Oxydation jedoch vermieden werden soll, ist es zweckmäßig,
in einer neutralen oder nicht oxydierenden Atmosphäre zu glühen. Beim Glühen in
einer schwefelhaltigen Atmosphäre, wie beispielsweise H2 S, können sich, abgesehen
von den D schwefelhaltigen Zunderschichten, auch im Innern des Metalls feinverteilte
Zirkonsulfide bilden. Sie verbessern in ähnlicher Weise wie die Oxyde den Verschleißwiderstand
und das Verhalten bei gleitender Reibung.
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Der abgeschreckte und anschließend kaltverformte Werkstoff erlaubt
die Durchführung weiterer Verformungsarbeiten, wie z. B: das Anstauchen von Sechskantköpfen
an Schraubenbolzen, ohne das Auftreten von Rissen befürchten zu müssen. Obwohl der
Werkstoff in dem kaltbearbeiteten Zustand bereits über hohe Festigkeitswerte verfügt,
kann er durch Anlassen bei Temperaturen zwischen 300 und 600' C noch eine Steigerung
der Festigkeitseigenschaften erfahren, wobei überraschenderweise. auch eine Zunahme
der Dehnung gegenüber dem Betrag im kaltverformten Zustand eintritt. -Durch die
Anlaßbehandlungwird aber nicht nur die Dehnung des Werkstoffes erhöht; sondern es
zeigt sich auch eine Steigerung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit.
Gleichzeitig werden durch diese Wärmebehandlung auch die Gleiteigenschaften so verbessert,
daß sich die Legierungen nicht nur für hin- und hergehende, sondern auch für gleichförmig
drehende Gleitbewegung brauchbar erwiesen. Infolge der hohen mechanischen Festigkeit
-ist der Abnutzungswiderstand sehr groß Bei der Warmaushärtung muß darauf geachtet
werden, daß den niedrigen Anlaßtemperaturen längere Glühzeiten zuzuordnen sind als
bei hohen Anlaßtemperaturen. Eine Verlängerung der Glühdauer bei niedriger Temperatur
wirkt in gleichem Maße wie eine Erhöhung der Glühtemperatur bei verminderter Glühzeit.
Die Wärmeaushärtungstemperatur bewegt sich vorzugsweise zwischen 400 und 500' C.
Die Anlaßzeit liegt zwischen etwa 30 Minuten und 5 Stunden. Anschließend an die
Warmaushärtung kann eine Wasserabschreckung folgen: Es besteht aber auch die Möglichkeit,
den Werkstoff sich normal abkühlen zu lassen..
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Die Brinellhärte im kaltgezogenen und anschließend warmausgehärteten
Zustand-- ist abhängig von dem Zirkongehalt. Je nach der Menge dieser Komponente
zeigt der Legierungswerkstoff eine Brincllhärte zwischen 100 und 200 Einheiten.
Die Zugfestigkeit bewegt sich dabei zwischen 30 und 60 kg/mm2. . Die Dehnung schwankt
zwischen 8-und 20%.
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Ausführungsbeispiel Eine auf dem Vakuumschmelzweg hergestellte und
anschließend geprcßte Legierung mit- 0,250/a Zirkon, Rest Kupfer weist im gepreßten
und anschließend an
Luft erkalteten Zustand eine Brinellhärte
von 66 kg/mm2 und eine elektrische Leitfähigkeit von 54,9 S E auf. Wird ein so behandelter
Werkstoff 1/z Stunde bei 950 ± 20° C geglüht und anschließend im Wasser abgeschreckt,
so sinkt die Härte etwa auf 49 kg/mm2 und der Leitwert auf etwa 34,0 S E. In diesem
Zustand hat der Werkstoff seine beste Kaltverformungsfähigkeit.
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Durch ein halbstündiges Glühen bei 450° C steigen der Leitwert auf
57 S E und die Härte auf etwa 120 kg/mm2. Durch diese Warmbehandlung erhält der
Werkstoff eine außerordentlich hohe Festigkeit bei gleichzeitiger guter Leitfähigkeit,
die über 900/n des Kupferwertes hinausgeht.
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Wenn zwischen dem Lösungsglühen und dem Warmaushärten noch eine etwa
30%ige Kaltverformung eingeschoben wird, wächst nach erfolgter Warmaushärtung die
Brinellhärte auf etwa 150 kg/mm2, und die elektrische Leitfähigkeit steigt auf etwa
56 S E. In diesem Zustand hat der Werkstoff außerordentlich gute Gleiteigenschaften
und hohe Dauerstandfestigkeit in der Wärme, die beispielsweise über der des Chrom-Kupfers
liegt. Die Anlaßbeständigkeit ist infolge der hohen Warmaushärtungstemperatur ebenfalls
außerordentlich hoch.
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Im kaltgezogenen und warmausgehärteten Zustand weisen die Legierungen
eine hohe Wechselfestigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen und eine geringe elastische
Nachwirkung auf, so daß sie sehr gut für dauerbeanspruchte Bauteile, insbesondere
für Federn aller Art, vorzugsweise für Uhrenfedern, brauchbar sind. Infolge des
hohen Korrosionswiderstandes gegenüber heißen Gasen kann eine entsprechend ausgewählte
Legierung sich auch für die Herstellung von Feuerbüchsen eignen. Da die Warmaushärtungstemperatur
sehr hoch liegt, weist der Werkstoff auch eine hohe Warmfestigkeit sowie große Dauerstandfestigkeit
auf. Der Werkstoff ist im übrigen vollkommen unmagnetisch und auch funkenfrei.
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Die vorbetrachteten zirkonhaltigen Kupferlegierungen, die 0,1 bis
6'% Zirkon enthalten können, finden insbesondere überall da Verwendung, wo hohe
mechanische Festigkeit bei guter Dehnung mit hoher thermischer und elektrischer
Leitfähigkeit verbunden sein soll, beispielsweise als Kontaktwerkstoff für die Ausrüstung
elektrischer Schalter, wie Kontakte, Klemmen oder andere Verbindungsstücke, ferner
auch für Schweißelektroden und dank der hohen Härte und Verfestigungsfähigkeit zur
Herstellung -von Werkzeugen, die bei ihrem Gebrauch funkenfrei arbeiten.
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Der Verwendungszweck richtet sich nicht nur nach der Behandlung des
Legierungswerkstoffes, sondern ist auch abhängig von dem Zirkongehalt. So werden
Legierungen mit 0,1 bis -0,519/o Zirkon bevorzugt für die Anfertigung von Kontakten
für anlaßbeständige und warmfeste Teile, wie z. B. für Schweißelektroden und Feuerbüchsen.
Zirkonhaltige Kupferlegierungen finden auch zweckdienlich Anwendung für gut verformungsfähige
Teile, die sich gleichzeitig durch eine hohe Leitfähigkeit auszeichnen müssen. Bewegt
sich der Zirkongehalt zwischen 0,1 und 119/o, kann der Werkstoff dank seiner guten
mechanischen Eigenschaften, seines höhen Widerstandes gegen Spannungskorrosion und
auch der hohen Wechselfestigkeit zur Anfertigung von Schrauben, Stehbolzen, Federn,
insbesondere Uhrenfedern, benutzt werden.
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Bei einem Zirkongehalt von 0,2 bis 2% dient der Legierungswerkstoff
zur Fertigung von Maschinenteilen, die gute Gleiteigenschaften, hohe mechanische
Festigkeit und großen Verschleißwiderstand besitzen müssen, wie z. B. in Lagern
aller Art, Kupplungs- und Bremslamellen.