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Verfahren zur Herstellung hochwertiger Federwerkstoffe aus Kupfer-Zink-Legierungen
Von Federwerkstoffeii wird unter anderem verlangt, daß ihr elastischer Verformungsbereich
möglichst groß ist, d. h. die Elas'tizitätsgrenze möglichst hoch liegt, und
daß sie gleichzeitig bei relativ großer elastischer Verformung auch nach häufiger
Beanspruchung auf Zug, Biegung, Törsion u. dgl. nur eine verschwindend geringe bleibende
Verformung erleiden. Zur Kennzeichnung der letzteren Eigene schaft verwendet man
den Begriff der Federbiegegrenze oder Biegeelastizitätsgrenze (c,.), die diejenige
Randbiegespannung bezeichnet, die nach Entlastung zu einer vorgegebenen bleibenden
Durchbiegung des Federwerkstoffes führt.
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Da die Federwerkstoffe bei ihrer Herstellung praktisch immer zur Verbesserung
der Festigkeitseigenschaften einer Kaltverformung unterworfen werden, sind ihre
Federungseigenschaften Von der Orientierung der Beanspruchungsrichtung zur Verformungsrichtung
abhängig, wobei ihre Federbiegegrenze parallel zur Richtung der Kaltverformung praktisch
immer niedriger liegt als senkrecht hierzu. Von hochwertigen Federwerkstoffen wird
in der Regel verlangt, daß ihre Federbiegegrenze in allen Richtungen,
d. h. auch parallel zur Richtung der Kaltverformung, höher als 45 kg/mm'
liegt.
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Diesen Anforderungen genügen eine große Anzahl heterogener aushärtbarer
und homogener nicht aushärtbarer Eisen- und Nichteisenmetall-Legierungen. Aushärtbare
Legierungen werden hierbei im allgemeinen nach einer voraufgegangenen Kaltverforinung
ausgehärtet, da ihre Federungseigenschaften im ausgehärteten Zustand besser sind
als im nicht ausgehärteten Zustand. Von den heterogenen bzw. aushärtbaren Kupferlegierungen
hat vor allem Berylliumbronze für die Herstellung hochwertiger Federwerkstoffe eine
erhebliche Bedeutung.
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Demgegenüber sind Federwerkstoffe aus nicht aushärtbaren bzw. bei
Raumtemperatur homogenen Legierungen bislang im allgemeinen im kaltverformten Zustard
verwendet worden, da man der Ansicht war, eine Wärmebehandlung würde nur zu einer
unwesentlichen Verbesserung der Federungseigenschaften oder gar zu einer beginnenden
Erweichung des Werkstoffes führen. Soweit man nicht aushärtbare Legierungen nach
der Kaltverformung überhaupt einer Wärmebehandlung unterworfen hat, handelt es sich
in der Regel nur um ein leichtes Anlassen bei niedrigeren Temperaturen, durch welches
die durch die Kaltverformung verursachten Randspannungen abgebaut werden sollten,
um die Biegefähigkeit dieser Werkstoffe zu verbessern. Ferner war bekannt, daß die
Federbiegegrenze von bei Raumtemperatur hornogenen, nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen
mit steigender Kaltverformung zunimmt und daß man von einer gewissen Kaltverformung
an durch eine leichte Entspannungsglühung die Federbiegegrenze noch um ein gewissses
Maß erhöhen kann, und zwar um so stärker, je höher die Kaltverfestigung des
Werkstoffes war, wobei man glaubte, im Höchstfalle eine Steigerung bis zu rund
30 % erreichen zu können. In den meisten Fällen hat man jedoch bislang bei
nicht aushärtbaren Legierungen, insbesondere bei homogenen Kupferlegierungen, auf
ein nachträgliches Anlassen oder Entspannungsglühen ganz verzichtet, da man dies
im Hinblick auf die - wie man glaubte - ebenfalls erreichbare geringfügige
bis mäßige Verbesserung der Federungseigenschaften als nicht lohnend ansah und vor
allem die damit verbundene Gefahr einer Erweichung des Federwerkstoffes vermeiden
wollte.
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Infolgedessen sind alle bei Raumtemperatur homogenen, nicht aushärtbaren
Kupferlegierungen bislang in aller Regel im kaltverformten Zustand ohne nachträgliches
Anlassen oder Entspannungsglühen als Federwerkstoff verwendet worden. Während von
diesen Kupferlegierungen Zinnbronze auch im kaltverformten Zustand eine für hochwertige
Federwerkstoffe in den meisten Fällen ausreichend hohe Federbiegegrenze, und zwar
auch parallel zur Richtung der Kaltverformung, aufweist, liegt die Federbiegegrenze
von kaltverf ormten, nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen, insbesondere der
handelsüblichen homogenen Messinglegierungen, vor allem parallel zur Richtung der
Kaltverformung derart niedrig, daß sie bislang nur bei sehr geringen Beanspruchungen
als Federwerkstoff verwendet werden konnten.
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Der Erfindung liegt nun die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß
sich aus derartigen, bei Raumtemperatur
homogenen, nicht aushärtbaren
Kupfer-Zink-Legierungen, beispielsweise handelsüblichen Messinglegierungen, auf
verhältnismäßig einfache Weise hochwertige Federwerkstoffe herstellen lassen, die
hinsichtlich ihrer Federungseigenschaften die bislang für die Herstellung von hochwertigen
Federwerkstoffen verwendeten, wesentlich teureren Beryllium-, Zinn- und sonstigen
Bronzen nicht nur erreichen, sondern s' 0 gar übertreffe -n. Die Erfindung
geht hierbei von nörmalen, bei Raumtemperatur homogenen, nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen
aus, aus denen nach den bei Knetlegierungen üblichen Verfahren Halbzeug hergestellt
und dieses Halbzeug zunächst - unter Anwendung bekannter Kaltverformungsverfahren
mit mittlerem bis hohem Verformungsgrad kalt verformt und anschließend einer zeitlich
und temperaturmäßig dosierten Wärmebehandlung untelworfen wird, und kennzeichnet
sich dadurch, daß die Zeitdauer und die Temperatur der Wärmebehandlung in solcher
Weise aufeinander sowie auf die Zusammensetzung der Legierung abgestimmt werden,
daß unter Vermeidung jeglicher gefügemäßig schon erkennbarer Rekristallisation die
Federbiegegrenze um mehr als 300/, gegenüber dem Ausgangswert des kaltverformten
Halbzeuges erhöht wird, wobei die Temperatur bei einer effektiven Zeitdauer der
Wärmebehandlung von 100 Stunden mindestens etwa 80'C beträgt und sich
mit kürzer werdender Bebandlungsdauer derart zu höheren Temperaturen hin verschiebt,
daß sie sich bei einer effektiven Zeitdauer der Wärmebehandlung von einer Minute
auf mindestens etwa 180'C beläuft. Während man bislang der Auffassung war,
daß sich bei nicht aushärtbaren, bei Raumtemperatur homogenen Kupferlegierungen
- wie dies bei Zinnbronze auch tatsächlich der Fall ist - durch eine
einer voraufgegangenen Kaltverformung nachfolgende Wärmebehandlung nur eine unwesentliche
bzw. mäßige Verbesserung der Federungseigenschaften. bei, gleichzeitiger Gefahr
einer beginnenden Erweichung des Werkstoffes erreichen läßt, hat sich überraschend
gezeigt, daß sich die Federungseigenschaften von bei Raumtemperatur homogenen, nicht
aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen durch eine bei mittleiem bis hohem Verformungsgrad
erfolgte Kaltverformung und eine anschließende, zeitlich und temperaturmäßig genau
dosierte sowie auf die Zusammensetzung der Legierung abgestimmte Wärmebehandlung
um mehr als 30"/" und zwar in den meisten Fällen in weitaus stärkerem Maße als
300/" gegenüber dem kaltverformten Zustand verbessern lassen. Infolgedessen
wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren erstmals die Möglichkeit
geschaffen, besonders hochwertige Federwerkstoffe aus bei Raumtemperatur homogenen,
nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen, beispielsweise handelsüblichen homogenen
Messinglegierungen, wie z. B. Ms 63
und Ms 72, herzustellen, die gegenüber
den bislang für derartige Federwerkstoffe. verwendeten Legierungen, z. B. Berylliumbronze
und Zinnbronze, erheblich billiger sind. Hierdurch wird den bei Raumtemperatur homogenen,
nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen ein völlig neues Anwendungsgebiet erschlossen,
für das man sie bislang für ungeeignet hielt und daher gezwungen war, wesentlich
teurere Legierungen zu verwenden, die überdies größtenteils schwieriger herzustellen
sind als normale homogene Kupfer-Zink-Legierungen. Versuche haben gezeigt, daß durch
die.zeitlich und temperaturmäßig genau dosierte Wärmebehandlung des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahrens sich keine nachteilige Veränderung des Elastizitätsmoduls
gegenüber seinem Wert nach der der Wärmebehandlung voraufgehenden Kaltverformung
ergibt. Vielmehr steigt der Elastizitätsmodul bei richtiger Dosierung der -Wärmebehandlung
sogar leicht an, so daß eine bei Kupfer-Zink-Legierungen unerwünschte Verringerung
des Elastizitätsmoduls gegenüber dem kaltverformten Zustand des Werkstoffes vermieden
wird. Außerdem führt die erfindungsgemäß vorgeschlagene zeitlich und temperaturmäßig
dosierte Wärmebehandlung zu einer mäßigen Erhöhung der Härte und einer geringfügigen
Erhöhung der Zugfestigkeit gegenüber den Ausgangswerten nach der voraufgegangenen
Kaltverformung. -
Die bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren angewendete
Kaltverformung läßt sich grundsätzlich in beliebiger Weise, z. B. durch Walken Ziehen,
Hämmern, Kneten, vornehmen, wobei es sich jedoch in der Regel empfiehlt, ein Kaltverformungsverfahren
zu wählen, mittels dessen sich das als Ausgangsprodukt dienende Halbzeug am besten
verarbeiten läßt. Bei Verwendung von Blechen als Ausgangsprodukt wird man daher
in der Regel die Kaltverformung durch eines der bekannten Kaltwalzverfahren. vornehmen,
während man bei draht-oder stabförmigem Halbzeug die Kaltverformung entweder durch
Walzen oder durch Ziehen durchführen wird.
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Es hat sich gezeigt, daß innerhalb eines verhältnismäßig großen Bereiches,
und zwar des Bereiches der handelsüblichen Messinglegierungen mit einem Kupferanteil
von etwa 62 bis 75 0/" der Kupfergehalt der Legierung sich weder auf
die optimale Temperatur-Zeit-Kombinationen der Wärmebehandlung noch auf die bei
Anwendung gleicher Temperaturen und Behandlungszeiten sowie gleichen Verformungsgraden
erreichbaren Verbesserungen der Federungseigenschaften in nennenswertem Maße auswirkt.
Bei Kupfergehalten der Legierung von mehr als 75 0/, macht sich demgegenüber
eine allmähliche Abnahme der erreichbaren Federungseigenschaften bemerkbar. Sonstige
gewollte Legierungszusätze beeinflussen dagegen durchweg in mehr oder weniger starkem
Maße sowohl die zur Erzielung optimaler Federungseigenschaften anzuwendenden Temperatur-Zeit-Kombinationen
der Wärinebehandlung als auch die hierdurch erreichbaren Steigerungen der Federungseigenschaften.
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Um durch die der Wärmebehandlung voraufgehende Kaltverformung eine
ausreichende Kaltverfestigung der Ausgangslegierung zu erhalten, ist es in der Regel
erforderlich, bei der Kaltverformung einen Verformungsgrad von etwa 30 0/,
anzuwenden, der in jedem Falle jedoch größer sein muß als 20/0. Die obere Grenze
für die bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren anwendbare Kaltverformung
liegt bei einem Verformungsgrad von etwa 980/0, dabei noch höheren Verforinungsgrad-.n
- abgesehen davon, daß sie technisch schwierig zu erreichen sind
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sich eine unzulässig große Materialsprödigkeit ergibt, die durch eine nachfolgende
Wärmebehandlung ohne unzulässig starke Verringerung der Festigkeitseigenschaften
nur unter erheblichen Schwierigkeiten beseitigt werden kann. Als besonders güristig
haben sich bei den von'der Erfinderin durchgeführten Versuchen Kaltverformungen
des aus bei Raumtemperatur homogenen
Kupfer-Zink-Legierungen besteherden
Halbzeuges mit einem Verformungsgrad von etwa 50 bis 75"/, erwiesen. Bei
solchen Verformungsgraden ist es ohne weiteres möglich, durch eine entsprechende
zeit- urd temperaturmäßige Dosierung der Wärmebehandlung die Federbiegegrenze um
etwa 40 bis 100"/, gegenüber dem Ausgangswert des kaltverformten Halbzeuges zu steigern.
Die durch die nachfolgende Wärmebehandlung erreichbare Verbesserung der Federungseigenschaften,
insbesondere der Federbiegegrenze, nimmt hierbei bis zu einem Verformungsgrad von
etwa 75"/" bei allen Orientierungen zur Verformungsrichtung relativ gleichmäßig
zu, während oberhalb dieses Verformungsgrades zwar in der Orientierung senkrecht
zur Verformungsrichtung noch eine weitere relativ gleichmäßige Steigerung der Federbiegegrenze
zu erreichen ist, in der Orientierung parallel zur Verformungsrichtung jedoch ein
allmählicher Rückgang der prozentualen Steigerung der Federbiegegrenze und schließlich
sogar eine Verringerung der Federbiegegrenze eintritt. Außerdem muß bei derart hohen
Verformungsgraden naturgemäß eine. zunehmende Materialsprödigkeit in Kauf genommen
werden.
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. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Zeitdauer
und die Temperatur der Wärmebehandlung auf die Orientierung der Federbeanspruchung
zur Kaltverformungsrichtung in solcher Weise abgestimmt, daß die Federbiegegrenze
senkrecht zur Verformungsrichtung um etwa 40 bis 65 0/"
parallel zur Verformungsrichtung
jedoch um einen wesentlich höheren Betrag, vorzugsweise um etwa 100 0/0,
gegenüber den Ausgangswerten des kaltverformten Halbzeuges bei handelsüblichen Messinglegierungen
nach einer voraufgegangenen Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von
50 bis 60 0/, gesteigert wird. Da die Werte für die Federbiegegrenze
in der Orientierung parallel zur Richtung der Kaltverformung um etwa 60 bis
700/, niedriger liegen als die Werte senkrecht zur Verformungsrichtung, wird
durch die bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erreichte, wesentlich
stärkere Erhöhung der Federbiegegrenze in der Orientierung parallel zur Verformungsrichtung
die starke Orientierungsabhängigkeit der Federbiegegrenze weitgehend abgebaut und
bei einer optimal geführten Wärmebehandlung auf etwa 10 bis 20 0/, verringert.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besitzt somit den besonderen Vorteil,
daß bei einer zeitlich und temperaturmäßig richtig dosierten Wärmebehandlung die
Federbiegegrenze in den beiden extremen Orientierungen parallel und senkrecht zur
Verformungsrichtung in solchem Maße einander angenähert werden, daß die verbleibenden
Unterschiede praktisch bedeutungslos sind und auf die Orientierung der Beanspruchungsrichtung
des Federwerkstoffes zur Verformungsrichtung keine Rücksicht genommen zu werden
braucht. Außerdem wird durch eine solche ,optimal geführte Wärmebehandlung der Elastizitätsmodul
in der Orientierung parallel zur Kaltverformungsrichtung, der nach der Kaltverformung
durchweg um mehr als 100/, niedriger liegt als der Elastizitätsmodul in der
Orientierung senkrecht zul Verformungsrichtung, in beträchtlich stärkerem Maße erhöht
als senkrecht zur Richtung der Kaltverformungsrichtung, so daß auch hinsichtlich
des Elastizitätsmoduls eine Angleichung der Werte in den Richtungen parallel
- und senkrecht zur Verformungsrichtung und somit eine Verringerung des Orientierungseinflusses
erfolgt.
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Zur Klärung der Ursache dieses überraschenden Effektes durchgeführte
mikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, daß das Gefüge des optimal wärmebehandelten
Federwerkstoffes sich in keiner Weise von dem Gefüge des Werkstoffes vor der Wärmebehandlung
bzw. nach der voraufgegangenen Kaltverformung unterscheidet. Die Wärmebehandlung
muß daher zeitlich und temperaturmäßig so genau dosiert werden, daß jegliche gefügemäßig
schon erkennbare Rekristallisation vermieden wird. Der Umstand, daß man bislang
diese Möglichkeit zu einer sehr starker) Verbesserung der Federbiegegrenze bei nicht
aushärtbaren, bei Raumtemperatur homogenen Kupfer-Zink-Legierungen nicht erkannt
hat, ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß es bei der Wärmebehandlung auf eine
sehr genaue Einhaltung von Temperatur und Zeit ankommt, da bereits eine geringfügige
Überschreitung der optimalen Behandlungsbedingungen den überraschend auftretenden
Effekt rückgängig macht. Die Ursache für das Zustandekommen dieser anomalen und
unerwarteten Erhöhung der Federbiegegrenze von Legierungen, die bislang für die
Herstellung hochwertiger Federwerkstoffe nicht in Frage kamen, beruht vermutlich
auf einer Nahordnung bzw. Umorientierung der- Atome im Kupfer-Zink-Mischkristall,
die durch die zeitlich und temperaturmäßig sehr genau dosierte Wärmebehandlung bewirkt
wird. Der relativ größeren Steigerung der Federbiegegrenze in der Orientierung parallel
zur Richtung der Kaltverformung entsprechend ist die Aktivierungsenergie für diesen
strukturellen Vorgang in der Orientierung parallel zur Verformungsrichtung größer
als in der Orientierung senkrecht hierzu.
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Der Temperaturbereich, der für die Wärmebehandlung des nach dem erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahren mit mittlerem bis hohem Verformungsgrad kaltverformten
Halbzeuges praktisch in Frage kommt, liegt zwischen etwa 80 und 430'C, wobei
die jeweils günstigste Temperatur einmal von der Zeitdauer der Wärmebehandlung,
zum zweiten von der Orientierung der Federbeanspruchung zur Verformungsrichtung
und zum dritten von der Zusammensetzung der jeweiligen Legierung abhängig ist. Während
die optimale Behandlungstemperatur bei Verformungsgraden von etwa 40 bis
850/, von dem angewendeten Verformungsgrad der Art der Kaltverformung nur
in einem praktisch zu vernachlässigenden Maße abhängig ist, führen gegenüber diesem
Bereich kleinere oder größere Verformungsgrade bei sonst gleichen Verhältnissen
zu einer gewissen Verschiebung der günstigsten Behandlungstemperaturen. Bei den
praktisch in Frage kommenden, -nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen und Verformungsgraden
von etwa 40 bis 85 0/, lassen sich die besten Federungseigenschaften bei
Temperaturen zwischen etwa 160 und 300'C erreichen, wobei die jeweils
günstigste Temperatur mit zunehmend kürzer werdender Behandlungsdauer zunimmt.
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Versuche haben gezeigt, daß bei handelsüblichen homogenen Kupfer-Zink-Legierungen
der von der Erfindung angestrebte Erfolg sich in einem praktisch noch bedeutsamen
Maße dann erreichen läßt, wenn die Wärmebehandlung innerhalb eines Temperaturbereiches
erfolgt, der bei einer Zeitdauer der Wärmebehandlung von 100 Stunden sich
auf etwa 80 bis
210'C beläuft und sich mit zunehmend
kürzer werdender Behandlungsdauer zu höheren Temperaturen hin verschiebt, so daß
er schließlich bei einer effektiven Zeitdauer der Wärmebehandlung von
1 Minute sich von etwa 180 bis 430'C erstreckt. Da bei kurzzeitigen
-Wärmebehandlungen je nach Art des verwendeten Ofens und des zu behand.-Ind.-n
Halbzeuges die gewünschte Behandlungstemperatur erst nach einer gewissen Anheizzeit
erreicht wird, die von Fall zu Fall unterschiedlich ist, sind vorstehend die in
Frage kommenden Temperaturen für eine effektive Zeit-Üauer der Wärmebehandlung von
1 Minute angegeben worden. Die angegebenen Temperaturwerte beziehen ,sich
somit auf eine streng isotherme Wärmebehandlung über die Zeitdauer -von
1 Minute.
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- Als besonders zweckmäßig hat sich jedoch bei den handelsüblichen
Messinglegierungen mit 62 bis 80 0/, Kupfer eine Wärmebehandlung innerhalb
eines Temperaturbereiches erwiesen, der bei einer Zeitdauer der Wärinebehandlung
von 100. Stunden sich auf etwa 160 bis 200'C beläuft und mit
fortschreitender Verkürzung der Behandlungsdauer sich derart zu höheren Temperaturen-
hin verschiebt, daß er bei einer effektiven Zeitdauer der Wärmebehandlung von
1 Minute bei etwa 260 bis 300'C liegt.
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Von der Erfindung wurde weiter erkannt, daß bei gleicher Zeitdauer
der Wärmebehandlung und gleicher Legierungszusammensetzung zur Erzielung- einer
optimalen Verbesserung der Federungseigenschaften parallel zur - Richtung
- der Kaltverformung mit einer -um-etwa 10 bis 30oC, vorzugsweise
etwa 15 bis 20'C,
höheren Temperatur gearbeitet wird, als zur Erzielung
optimaler Federungseigenschaften senkrecht zur Richtung der Kaltverformung erforderlich
ist. Zur Erzielung *optimaler Eigenschaften parallel zur Richtung der Kaltverformung
wird daher zweckmäßig in -der #oberen Hälfte des vorstehend angegebenen Temperaturbereiches
gearbeitet, während in den. Fällen, in denen senkrecht zur Richtung der Kaltverformung
optimale Federungseigenschaften erreicht werden sollen, sich ein Arbeiten in der
unteren Hälfte des vorstehend angegebenen Temperaturbereiches empfiehlt. Außerdem
läßt sich bei Anwendung der jeweils günstigsten Temperatur-Zeit-Kombination parallel
zur Richtung der Kaltverformung eine wesentlich größere, bis zu 100 und mehr
Prozent betragende Steigerung der -Federbiegegrenze erreichen als senkrecht zur
Verformungsrichtung, in der die erreichbare Erhöhung der Federbiegegrenze bei optimalen
Behandlungsbedingungen- im allgemeinen zwischen etwa 40 und 650/, liegt.
Da bei nicht aushärtbaren, bei Raumtemperatur homögenen Kupfer-Zink-Legierungen
nach der Kaltverformung die Federbiegegrenze senkrecht zur Verformungsrichtung jedoch
- wie bereits angedeutet - regelmäßig wesentlich höher liegt als parallel
zur Verformungsrichtung, wird durch die bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahren erzielte besonders starke Erhöhung der Federungseigenschaften parallel
zur Verformungsrichtung eine außerordentlich vorteilhafte Angleichung der entsprechenden
Werte senkrecht und parallel zur Verformungsrichtung erreicht. Hierbei läßt sich
ohne weiteres die Federbiegegrenze in beiden Richtungen bis auf 50 bis
60 kg/mm2 und darüber steigern, so daß die Federungswerte von Federbronzen
nicht nur erreicht, sondern insbesondere hinsichtlich der Federungseigenschaften
parallel zur Verformungsrichtung bzw. der geringen Abweichungen der Werte parallel
und senkrecht zur Verformungsrichtung noch übertroffen werden.
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Von der Erfindung wurde ferner festgestellt, daß bei handelsüblichen
homogenen Messinglegierungen und einem Verformungsgrad von etwa 40 bis
85 0/, .zur Erzielung optimaler Federungseigenschaften pafallel zur Richtung
der Kaltverformung zweckmäßig eine Wärmebehandlung angewendet wird, deren Temperatur
(T) in Grad Kelvin so auf die effektive Zeitdauer (t) der Wärmebehandlung in Stunden
abgestimmt wird, daß die Bedingung
mit einer Toleranz von +5 bzw. -lO'C erfüllt wird. Unter handelsüblichen
homogenen Messinglegierungen sind hierbei in erster Linie Messinglegierungen mit
mehr als 62 bis 80 % Kupfer, Rest Zink und die üblichen Verunreinigungen
zu verstehen, insbesondere Ms 63 und Ms 72.
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Zur Erzielung optimaler Federungseigenschaften senkrecht zur Richtung
der Kaltverformung wird demgegenüber bei derartigen handelsüblichen homo# genen
Messinglegierungen.und einem angewendeten Verformungsgrad von etwa 40 bis
85 0/, mit dem besten Erfolg dann gearbeitet" wenn die Temperatur der Wärmebehandlung
(T) in Grad Kelvin so auf die effektive Zeitdauer (t) der Wärmebehandlung in Stunden
abgestimmt wird, daß. die Bedingung
mit einer Toleranz von .+5 bzw. -lO'C erfüllt wird. Außerhalb des vorerwähnten Bereiches
von +5
und -IO'C läßt sich zwar ebenfalls noch innerhalb eines gewissen, zu
höheren Temperaturen hin kleineren und zu niedrigeren Temperaturen hin größeren
Temperaturbereiches eine in manchen Fällen noch ausreichende Verbesserung d2r Federungseigenschaften
erzielen, jedoch erreicht man die besten Ergebnisse innerhalb des durch die vorstehenden
Formeln gekennzeichneten relativ engen Temperaturbereiches.
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Abgesehen von den bereits mehrfach erwähnten Kupfer-Zink-Legierungen
mit mehr als 620/, Kupfer, Rest Zink und den üblichen Verunreinigungen, läßt sich
das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren auch bei solchen Kupfer-Zink-Legierungen
anwenden, die neben mehr als 62 % Kupfer, dem Zinkanteil und den üblichen
Verunreinigungen Zusätze an Silizium, Zinn, Eisen, Nickel, Mangan, Blei und/od,-r
Aluminium aufweisen. Silizium kann hierbei bis zu etwa 10/, zugesetzt werden,
was in erster Linie dazu geschieht, um die Wid2rstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion
d-2r FedDrw,-rkstoffe zu verbessern. Zinnzusätze können bis zu etwa 20/0, Nickelzusätze
bis zu etwa 10/, und Manganzusitze bis zu etwa 6 "/, zugegeben werden,
vor allem um die chemische Korrosionsfestigkeit zu verbessern. Eisenzusätze bis
zu etwa 20/" insbesond-,re zwischen 0,1 und 0,5010,
verwendet man zur
Kornfeinung, während Aluminium bis zu etwa 3 0/, zugegeben werden kann, vor
allem, um die chemische Korrosionsfestigkeit zu
erhöhen. Geringe
Bleizusätze bis zu etwa 0,3 0/, sind in manchen Fällen dann von Vorteil,
wenn gleichzeitig die Zerspanbarkeit verbessert werden soll.
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Der Gesamtanteil von Zink und den sonstigen gewollten Legierungszusätzea
darf jedoch im Höchstfall nur so groß bemessen werden, daß die Grenze des Homogenitätsbereiches
nicht überschritten wird, d. h., daß bei Raumtemperatur der homogene Mischkristall
erhalten bleibt.
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Als besonders zweckmäßig haben sich bei den durchgefüh.rten Versuchen
Kupfer-Zink-Legierungen mit einem Kupferanteil von etwa 63 bis
80 0/" Rest Zink sowie gegebenenfalls geringe Zusätze von Silizium, Zinn,
Eisen, Mangan, Nickel, Blei und/oder Aluminium in den obengenannten Mengen neben
den üblichen Verunreinigungen erwiesen.
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In der nachstehenden Zahlentafel ist die Temperatur-Zeitabhängigkeit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wärmebehandlung für Blech aus der handelsüblichen
Messinglegierung Ms 72 wiedergegeben, das einer voraufgegangenen Kaltverformung
durch Walzen mit einem Verformungsgrad von 50
bis 60 0/, unterworfen
worden ist. Hierbei ist t (opt) die optimale Wärmebehandlungszeit in Stunden bzw.
Minuten, T (opt) die optimale Wärmebehandlungstemperatur in Grad Celsius.
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Bei den angegebenen Zeit- und Temperaturwerten handelt es sich um
Effektimerte, was insbesondere bei kurzzeitigen Wärmebehandlungen von Bedeutung
ist. Die optimale Wärmebehandlungstemperatur kann ohne nennenswerten Einfluß auf
die erreichte Verbesserung der Federungseigenschaften um etwa 5 0 C
überschritten
und etwa lO'C unterschritten werden.
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Als Wirksamkeitsbereich ist in der nachstehenden Zahlentafel derjenige
Temperaturbereich angegeben, innerhalb dessen der von der Erlindung angestrebte
Erfolg noch in einem für die Praxis bedeutsamen Maße eintritt.
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Die eingeklammerten Werte für eine Behandlungsdauer von
1 Minute sind extrapolierte Effektivwerte, die sich nur dann erreichen lassen,
wenn das kaltverformte Halbzeug tatsächlich über die gesamte Dauer von
1 Minute den angegebenen Temperaturen ausgesetzt wird.
| Temperaturen der Wärmebehandlung in 'C - |
| Zeitdauer der parallel zur Walzrichtung senkrecht zur Walzrichtung |
| Wärmebehandlung Wirksamkeitsbereich etwa Wirksamkeitsbereich
etwa |
| T (opt) von bis T (Opt) von bis |
| 100 Stunden 192 90 210 173 80 205 |
| 50 Stunden 198 100 220 179 gö 215 |
| 25 Stunden 205 105 230 186 95 220 |
| 15 Stunden 210 110 240 192 100 230 |
| 8 Stunden 216 115 255 198 110 240 |
| 4 Stunden 223 125 270 206 120 250 |
| 2 Stunden 230 130 280 214 125 270 |
| 1 Stunde 238 140 .300 221 130 280 |
| 1 Minute (289) (190) (430) (275) (180) (375) |
Die vorstehende Zahlentafel läßt erkennen, daß die jeweils günstigste Temperatur
für die Wärmebehandlung sich mit fortschreitender Verkürzung der Behandlungsdauer
zu höheren Temperaturen hin verschiebt, wobei die optimale Temperatur für die Verbesserung
der Federungseigenschaften parallel zur Verformungsrichtung stets um etwa
15 bis
20'C
höher liegt als die optimale Temperatur für die Verbesserung
der Federungseigenschaften senkrecht zur Verformungsrichtung.
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In den F i g. 1 bis 3 ist die Temperatur-Zeit-Abhängigkeit
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens an Hand einiger Diagramme schaubildlich
dargestellt. Und zwar handelt es sich in allen Fällen um Bleche aus der handelsüblichen
Messinglegierung Ms 72, die vor der Wärmebehandlung einer Kaltverformung
durch Walzen um 60 0/, unterworfen worden sind. Im einzelnen zeigt F i
g. 1 die Temperaturabhängigkeit der Federbiegegrenze bei verschiedenen Behandlungsdauern
parallel zur Walzrichtung, F i g. 2 die Temperaturabhängigkeit der Federbiegegrenze
bei verschiedenen Behandlungsdauern senkrecht zur Walz:richtung, F i g. 3
die Zeitabhängigkeit der Federbiegegrenze bei verschiedenen Behandlungstemperaturen
parallel zur Walzrichtung.
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, Die verwendete Messinglegierung Ms 72 wies nach der
Kaltverformung parallel zur Walzrichtung eine Federbiegegrenze (u,_,) von
26,3 kg/mm2 und senkrecht zur Walzrichtung eine Federbiegegrenze von 42,9
kg/mm' auf.
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Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich, konnte die Federbiegegrenze
durch eine hinsichtlich der Angel wendeten Temperatur und Behandlungsdauer genau
dosierte Wärmebehandlung parallel zur Walz- bzw.. Verformungsrichtung im günstigsten
Falle bis auf etwa 52 kg/mmz und senkrecht zur Walzrichtung bis auf etwa
60 kg/mm2 gesteigert werden. Die günstigsten Ergebnisse erreichte man hierbei
jeweils nur innerhalb eines verhältnismäßig schmalen Temperaturintervalls, das sich
mit kürzer werdender Behandlungsdauer zu 'höheren Temperaturen hin verschiebt. Von
diesem gilnstigsten Temperaturbereich aus fällt die Kurve der nach der Wärmebebandlung
vorhandenen Federbiegegrenze zu höheren Temperaturen hin verhältnismäßig steil ab,
so daß bereits bei einer geringfügigen ÜBerg schreitung des optimalen Temperaturbereiches
sich
keine Erhöhung, sondern sogar eine Verringerung der Federbiegegrenze
gegenüber den Ausgangswerten des kalt, verformten Halbzeuges ergibt. Zu niedrigeren
Temperaturen hin fällt demgegenüber die Kurve der durch die Wärmebehandluhg erreichten
Federbiegegrenze weniger steil.*ab.
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Bei den in den F i -g. 1 und 2 angegebenen Teinperaturwerten
für eine Böhandlungszeit von 15 Minuten handelt es sich nicht'um Effektivwerte,
sondern um Werte, die -infolge eingetretenerWärmeverluste beim Anheizen gegenüber
den Effektivwerten zu höheren Temperaturen hin verschoben sind.
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Wie aus F i g. 3 hervorgeht, ist jeder Behandlungstemperatur
eine optimale Zeitdauer der Wärmebehandlung zugeordnet, wobei bei relativ hohen
Behandlungstemperaturen bereits relativ geringe Abweichungen von der optimalen Behandlungsdauer
eine wesentliche Verringerung der erreichten Verbesserung der Federbiegegrenze oder
-sogar eine Verminderung derselben gegenüber den Ausgangswerten - bewirkt.
Se niedriger die Behandlungstemperaturen werden ' um so weniger wirken sich
Abweichungen von der jeweils günstigsten Behandlungsdauer auf die erreichte Verbesserung
der Federbiegegrenze aus.
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Außerdem läßt F i g. 3 naturgemäß erkennen, daß mit abnehmender
Behandlungstemperatur die optimale Zeitdauer der Wärmebehandlung größer wird, während:.
die im günstigsten Falle erreichbare Verbesserung der Federungseigenschaften unabhängig
von angewendeter Temperatur und Behandlungsdauer praktisch konstant bleibt.
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Bei Anwendung einer Kaltverformung von 70 und mehr Prozent
lassen- sich die aus den F i g. 1 bis 3
ersichtlichen Verbesserungen
der Federbiegegrenzen parallel und senkrecht zur Richtung der Kaltverformung noch
beträchtlich steigern. Ausführungsbeispiel 1
Als Ausgangswerkstoff diente
eine Kupfer-Zink-Legierung mit 69,7 0/, Kupfer, 0,08 0/, Eisen, Rest
Zink ohne weitere absichtliche Legierungszusätze, die auf dem für Knetlegierungen
üblichen Wege hergestellt worden war. Als Ausgangsprodukt bzw. Halbzeug wurde ein
kaltgewalztes 1,75 mm dickes Messingband verwendet, - das zunächst
bei 520'C weichgeglüht wurde. Anschließend -wurde dieses Messingband in mehreren
Stichen auf eine Dicke von 0,70 mm kaltgewalzt, was einem Verformungsgrad
von 60 0/, entspricht. Die Federbiegegrenze dieses kaltgewalzteia Bandmaterials
wurde zu 26,3 kg/mm2 parallel zur Walzrichtung und zu 42,9 kg/MM2 senkrecht
zur Walzrichtung bestimmt.
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Das Bandmaterial wurde anschließend einer 24 Stunden dauernden Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 190'C unterworfen. Im Anschluß hieran wurde die
Federbiegegrenze parallel zur Walzrichtung zu 51,1 kg/mm2 und senkrecht zur
Walzrichtung zu 60,2 kg/mm2 bestimmt, was einer Verbesserung um rund
95 bzw. rund 40 0/, gegenüber den Ausgangswerten entspricht.
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Ausführungsbeispiel 2 Als Ausgangsmaterial wurde ein 2,35mm dickes
Blech aus der handelsüblichen Messinglegierung Ms 63
verwendet, das bei etwa
520'C weichgeglüht und anschließend in mehreren Stichen auf eine Stärke von
0,35 mm kaltgewalzt-wurde, was einem Verformungsgrad von
85 "/, entspricht. Die Federbiegegrenze dieses kaltverformten Bleches wurde
senkrecht zur Walzrichtung zu 47,8 kg/mm2, bestimmt, Nach einer Wärmebehandlung
von 3 Stunden Dauer bei einer Temperatur von 205 bis 2lO'C wurde die
Federbiegegrenze senkrecht zur Walzrichtung zu'
78,0 kg/mm' bestimmt,
was einer Erhöhung -um 63 0/0 gegenüber dem Ausgangswert entspricht.