DE1232753B

DE1232753B - alpha-beta copper-manganese alloy

Info

Publication number: DE1232753B
Application number: DE1961ST017384
Authority: DE
Inventors: Alfred William Owen Webb; Norman Bailey; Roy Thomas Southin
Original assignee: Stone & Co Propellers Ltd
Current assignee: Stone & Co Propellers Ltd
Priority date: 1960-01-25
Filing date: 1961-01-24
Publication date: 1967-01-19
Also published as: GB922399A; ES263962A1; BE599492A; CH403305A

Description

a-f-Kupfer-Mangan-Legierung Die Erfindung betrifft im wesentlichen zweiphasige Legierungen auf Kupferbasis mit einem Gehalt an Mangan, Aluminium und Eisen sowie auch Nickel und/oder Zinn.a-f Copper-Manganese Alloy The invention relates essentially to two-phase alloys based on copper with a content of manganese, aluminum and Iron as well as nickel and / or tin.

Die zum Stand der Technik zählende deutsche Auslegeschrift 1066 029 beschreibt eine Legierung mit 10 bis 15% Mangan, 6,5 bis 9% Aluminium, 2 bis 4% Eisen und 1,5 bis 6% Nickel; ein nicht zum Stand der Technik zählender älterer Vorschlag (deutsche Auslegeschrift 1 144 012) betrifft eine Abwandlung dieser Legierung, in welcher der Aluminiumgehalt geringer als 6,5% ist, aber nicht unter 3,5% beträgt. Diese Legierungen zeigen ein gutes Gieß- und Schweißverhalten sowie gute mechanische Eigenschaften.The prior art German Auslegeschrift 1066 029 describes an alloy with 10 to 15% manganese, 6.5 to 9% aluminum, 2 to 4% iron and 1.5 to 6% nickel; an older proposal (German Auslegeschrift 1 144 012) that does not belong to the state of the art relates to a modification of this alloy in which the aluminum content is less than 6.5% but not less than 3.5%. These alloys show good casting and welding behavior as well as good mechanical properties.

Es wurde nun gefunden, daß gute mechanische Eigenschaften durch Anwendung von Mangangehalten über 15% erhalten werden können, sofern Mangan von hoher Reinheit verwendet wird.It has now been found that good mechanical properties through application of manganese contents above 15% can be obtained, provided that manganese is of high purity is used.

Ein Vergleich zwischen Legierungen a, a1 nach der Erfindung und Legierungen b und bi nach der deutschen Auslegeschrift 1066 029 zeigt in der nachstehenden Tabelle die Fortschrittlichkeit des Erfindungsgegenstandes gegenüber dem Stand der Technik. Um eine einfache Vergleichsmöglichkeit zu schaffen, sind in der Tabelle Legierungen a, b angegeben mit gleichem Nickelgehalt und ohne Zinnzusatz bzw. Legierungen a1 und bi mit annähernd gleichem Zinngehalt und ohne Nickelzusatz; Rest jeweils Kupfer. Legierung a b ai bi Zusammensetzung Mangan, % ........ 15,9 14,0 15,6 12,3 Aluminium, 0/0 ..... 6,7 6,5 7,46 7,22 Nickel, % ......... 2,0 2,0 0 0 Eisen, 0/0 .......... 2,8 3,0 2,67 3,14 Zinn, 0/0 ........... 0 0 0,99 1,05 0,150%-Streckgrenze, kg/mm'-' ........... 29,1 25,1 34,1 27,4 Zugfestigkeit, kg/mmz 64,8 55,7 72,9 62,5 Dehnung, 0/0 ......... 38 29 27 14,5 Durch Anwendung von Mangangehalten über 15% und unter Verwendung von sehr reinem Mangan können hervorragend gute Eigenschaften innerhalb eines verhältnismäßig engen Zusammensetzungsbereichs erreicht werden.A comparison between alloys a, a1 according to the invention and alloys b and bi according to German Auslegeschrift 1066 029 shows in the table below the progressiveness of the subject matter of the invention compared to the prior art. In order to make a simple comparison possible, the table shows alloys a, b with the same nickel content and without added tin or alloys a1 and bi with approximately the same tin content and without added nickel; The rest of each is copper. alloy from ai bi composition Manganese,% ........ 15.9 14.0 15.6 12.3 Aluminum, 0/0 ..... 6.7 6.5 7.46 7.22 Nickel,% ......... 2.0 2.0 0 0 Iron, 0/0 .......... 2.8 3.0 2.67 3.14 Tin, 0/0 ........... 0 0 0.99 1.05 0.150% yield strength, kg / mm'- '........... 29.1 25.1 34.1 27.4 Tensile Strength, kg / mmz 64.8 55.7 72.9 62.5 Elongation, 0/0 ......... 38 29 27 14.5 By using manganese contents above 15% and using very pure manganese, excellent properties can be achieved within a relatively narrow composition range.

Eine Kupferlegierung gemäß der Erfindung hat im wesentlichen die Eigenschaften einer zweiphasigen Legierung, da sie hauptsächlich aus einer a-Phase und einer ß-Phase besteht. Sie besteht neben Kupfer bei unter 0,02% liegenden Kohlenstoffverunreinigungen aus mehr als 15 bis zu 35% reinstem Mangan, 3,5 bis 9,5% Aluminium, 2 bis 4% Eisen, nicht mehr als 6% Nickel und/oder nicht mehr als 2% Zinn, wobei der Mindestnickelgehalt bei Abwesenheit von Zinn l0/0 und der Mindestzinngehalt bei Abwesenheit von Nickel 0,25% beträgt, während die Mindestsumme aus dem Nickelgehalt und dem vierfachen Zinngehalt bei Anwesenheit beider Komponenten nicht kleiner als 1% ist, und das unten definierte Aluminiumäquivalent des anwesenden Aluminiums und Mangans im Bereich von 9 bis 12% liegt. Für die meisten Zwecke wird der Mangangehalt nicht mehr als 20%, der Aluminiumgehalt nicht mehr als 9% und das Aluminiumäquivalent nicht mehr als 11,5% betragen.A copper alloy according to the invention essentially has the properties a two-phase alloy, as it mainly consists of an a-phase and a ß-phase consists. In addition to copper, it consists of carbon impurities below 0.02% from more than 15 to 35% pure manganese, 3.5 to 9.5% aluminum, 2 to 4% iron, no more than 6% nickel and / or no more than 2% tin, the minimum nickel content in the absence of tin 10/0 and the minimum tin content in the absence of nickel 0.25%, while the minimum sum from the nickel content and four times Tin content is not less than 1% in the presence of both components, and that Aluminum equivalent of the present aluminum and manganese in the area defined below from 9 to 12%. For most purposes the manganese content will not exceed 20%, the aluminum content not more than 9% and the aluminum equivalent not more than 11.5%.

Legierungen nach der Erfindung mit einer sehr guten Kombination von Eigenschaften für die Herstellung von Gußstücken, wie Schiffsschrauben, haben ein Aluminiumäquivalent von ungefähr 10%.Alloys according to the invention with a very good combination of Properties for the manufacture of castings, such as ship propellers, have a Aluminum equivalent of about 10%.

Der Einfluß von Änderungen des Mangangehalts auf das Gefüge und die Eigenschaften der Legierung ist beträchtlich kleiner als der von Änderungen des Aluminiumgehalts, ist aber im ganzen erfindungsgemäßen Bereich von Legierungszusammensetzungen proportional. Es ist daher möglich, dem Mangan einen Aluminiumäquivalentwert ähnlich den Zinkäquivalentwerten bei hochdehnbaren Messinglegierungen zuzuschreiben, wie sie von damit vertrauten Metallurgen anerkannt werden. Es wurde gefunden, daß der Aluminiumäquivalentwert von Mangan in den erfindungsgemäßen Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen 0,16 beträgt und dieser Wert als Grundlage für die in der Beschreibung betrachteten Aluminiumäquivalente angesehen werden muß. Das Aluminiumäquivalent des Aluminiums und Mangans ist die Summe aus dem wirklichen Prozentgehalt des anwesenden Aluminiums und dem Aluminiumäquivalent des anwesenden Mangans.The influence of changes in the manganese content on the structure and the Properties of the alloy is considerably smaller than that of changes in the Aluminum content, but is within the full range of alloy compositions of the present invention proportional. It is therefore possible to give manganese an aluminum equivalent value similar to zinc equivalent values attributable to highly ductile brass alloys, as they were familiar with Metallurgists are recognized. It was found that the aluminum equivalent value of manganese in the copper-manganese-aluminum alloys according to the invention is 0.16 and this value as the basis for the aluminum equivalents considered in the description must be viewed. The aluminum equivalent of aluminum and manganese is that Sum of the actual percentage of aluminum present and the aluminum equivalent of the present manganese.

Um die günstigsten mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung für die Schiffsschraubenherstellung zu erreichen, ist es notwendig, ein wesentlich konstantes a-ß-Phasenverhältnis in der Legierung (ungefähr 55 bis 600% a-Phasenanteil) aufrechtzuerhalten; dies kann durch Verringerung des Aluminiumgehalts bei Erhöhung des Mangangehalts erreicht werden.To get the most favorable mechanical properties of the invention To achieve an alloy for the manufacture of propellers, it is necessary to use a substantially constant a-ß phase ratio in the alloy (approx. 55 to 600% a-phase fraction); this can be done by reducing the aluminum content can be achieved when the manganese content is increased.

Eine Legierung dieser Art, bestehend aus 15,58% Mangan, 7,46% Aluminium (Aluminiumäquivalent 9,95%), 2,67% Eisen, 0,99% Zinn, Rest Kupfer, hatte eine Ermüdungsgrenze (Schwingungsfestigkeit) in Luft von Q27,6 kg/mm2 und eine Korrosionsermüdungsgrenze (Schwingungsfestigkeit bei Korrosion) in Seewasser von ± 13,5 kg/mm2, bezogen auf 100 Millionen Lastwechsel. Es wurde auch festgestellt, daß diese Legierung eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion bei mechanischem Stoß hat.An alloy of this kind, consisting of 15.58% manganese, 7.46% aluminum (Aluminum equivalent 9.95%), 2.67% iron, 0.99% tin, the remainder copper, had a fatigue limit (Vibration resistance) in air of Q27.6 kg / mm2 and a corrosion fatigue limit (Vibration resistance with corrosion) in sea water of ± 13.5 kg / mm2, based on 100 million load changes. This alloy was also found to be a has very high resistance to corrosion in the event of mechanical impact.

Wegen der erforderlichen Reinheit der Legierung wird reinstes Mangan, z. B. Elektrolytmangan, verwendet und nachträgliche Verunreinigung vermieden. Insbesondere ist eine Verunreinigung mit Kohlenstoff zu vermeiden. Kleine Gehalte an Kohlenstoff über 0,0101o haben einen auffallenden Einfluß auf die Dehnungseigenschaften der Legierung, wie aus der folgenden Tabelle ersichtlich ist. Legierung a b Zusammensetzung Kohlenstoff, 0/0 ............. 0,010 0,024 Mangan, 0/0 ................ 16,58 16,23 Aluminium, 0% ............. 6,87 7,09 Nickel, 11,1n ................. 2,03 1,98 Eisen, 0/0 ................... 2,41 2,82 Zinn, % ................... 0 0 Kupfer, "/o ................. Rest Rest Aluminiumäquivalent, % .... 9,52 9,69 0,15%-Streckgrenze, kg/mm- ... 33,0 32,1 Zugfestigkeit, kg/mm" ......... 70,5 67,0 Dehnung, % ................. 30 15 Der Kohlenstoffgehalt sollte daher unter 0,020% gehalten werden.Because of the required purity of the alloy, the purest manganese, e.g. B. electrolyte manganese used and subsequent contamination avoided. In particular, contamination with carbon must be avoided. Small contents of carbon above 0.01010 have a striking influence on the elongation properties of the alloy, as can be seen from the following table. alloy away composition Carbon, 0/0 ............. 0.010 0.024 Manganese, 0/0 ................ 16.58 16.23 Aluminum, 0% ............. 6.87 7.09 Nickel, 11.1n ................. 2.03 1.98 Iron, 0/0 ................... 2.41 2.82 Tin,% ................... 0 0 Copper, "/ o ................. remainder remainder Aluminum equivalent,% .... 9.52 9.69 0.15% yield strength, kg / mm- ... 33.0 32.1 Tensile Strength, kg / mm " ......... 70.5 67.0 Elongation,% ................. 30 15 The carbon content should therefore be kept below 0.020%.

Das in F i g. 1 dargestellte Diagramm gibt die unteren Grenzen des Aluminium- und Mangangehalts für zwei Legierungen mit Festigkeiten über 69,8 und 72,8 kg/mm2 (Kurven a bzw. b) und Dehnungswerten über 25 und 20% (Kurven c bzw. d) wieder. Die in F i g. 1 wiedergegebenen Kurven wurden durch Versuche mit Legierungen ermittelt, die neben Kupfer, Mangan und Aluminium nur noch 3% Eisen und 2% Nickel enthielten.The in Fig. 1 shows the lower limits of the aluminum and manganese content for two alloys with strengths above 69.8 and 72.8 kg / mm2 (curves a and b) and elongation values above 25 and 20% (curves c and d) . The in F i g. 1 reproduced curves were determined by tests with alloys which, in addition to copper, manganese and aluminum, only contained 3% iron and 2% nickel.

Legierungen mit sehr guten Eigenschaften, insbesondere für Schiffsschrauben, liegen ungefähr auf einer Geraden, die von e (7,6% Aluminium / 150% Mangan) nach f (4,4% Aluminium / 35% Mangan) verläuft. (Aluminiumäquivalent 10). Die Eigenschaften von drei bezeichneten Legierungsbeispielen sind die folgenden: Legierung 1 2 3 Zusammensetzung Kohlenstoff, 0(o ..... <0,02 <0,02 <0,02 Mangan, % ........ 15,6 20,1 35,0 Aluminium, % ..... 7,6 6,7 5,0 Nickel, % ......... 2,0 2,0 2,0 Eisen, % .......... 2,7 2,7 3,0 Zinn, % ........... 0 0 0 Kupfer, °% ......... Rest Rest Rest Aluminium- äquivalent, % .... 10,1 9,9 10,6 0,15 %-Streckgrenze, kg/mm2 ........... 36,1 36,1 35,3 Zugfestigkeit, kg/mm2 77,2 73,6 67,0 Dehnung, 0/0 ......... 24 25 27 Brinell-Härte (10/1000), kg/mm2 .. 185 193 166 Für andere Gußstücke als Schiffsschrauben bestimmte Legierungen können andere Eigenschaftskombinationen erfordern; einige müssen härter und fester und andere dehnbarer sein. Es wird auf das in F i g. 2 dargestellte Diagramm verwiesen. Legierungen mit den durch das Parallelogramm g angedeuteten Zusammensetzungsgrenzen, die zu beiden Seiten einer Linie AB liegen, welche Legierungen mit einem Aluminiumäquivalent von 10 angibt, haben Eigenschaften von beträchtlichem Nutzen für verschiedene Zwecke der Ingenieurtechnik. Beispielsweise werden im folgenden die Eigenschaften von zwei Legierungen angegeben, wovon die eine hohe Festigkeit und die andere große Dehnbarkeit hat Legierung 4 5 Zusammensetzung Kohlenstoff, 0/0 ............. <0,02 <0,02 Mangan, 01o ................ 19,7 15,9 Aluminium, % ............. 7,6 6,7 Nickel, % .................. 2,0 2,0 Eisen, 0/0 .................. 3,0 2,8 Fortsetzung Legierung 4 5 Zinn, 0/0 ................... 0 0 Kupfer, % ................. Rest Rest Aluminiumäquivalent, 0/0 .... 10,8 9,3 0,15%-Streckgrenze, kg/mm'2 ... 50,8 29,1 Zugfestigkeit, kg/mm2 ......... 83,2 64,8 Dehnung, 0/0 ................. 12,5 38 Brinell-Härte (10/l000), kg/mm22 218 150 Obwohl die Legierungen ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion haben, kann diese durch Zugabe von Zinn noch weiter verbessert werden. Das Ausmaß, bis zu welchem hieraus Vorteil gezogen werden kann, ist bei Legierungen mit einem unter 15% liegenden Mangangehalt begrenzt, weil -die Zugabe einen Verlust an Dehnbarkeit verursacht. Es wurde gefunden, daß größere Zugaben bei Legierungen von höherem Mangangehalt unter Beibehaltung hoher Dehnbarkeit angebracht werden können, wie die folgende Tabelle zeigt, wobei das erste und vierte Legierungsbeispiel (zinnfrei) zum Gegenstand der Erfindung zählen und nur für Vergleichszwecke angeführt sind. Zusammensetzung Mangan, % ............ 11,8 11,8 11,8 15,6 15,6 15,6 15,6 Zinn, % ............... 0 0,46 0,92 0 1,04 1,56 2,08 Aluminium, 0/0 ......... 8,02 7,74 7,46 7,74 7,61 7,28 6,89 Eisen, %............... 2,69 2,75 2,82 2,80 2,77 2,75 2,74 Nickel, 0/0.............. 0 0 0 0 0 0 0 Kupfer, % ............. Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest 0,150/()-Streckgrenze, kg/mm'2 28,7 28,4 28,7 37,8 38,1 37,1 42,0 Zugfestigkeit, kg/mm2 ..... 68,8 67,4 55,5 72,7 72,9 72,1 67,9 Dehnung, 0/0 ............. 35 26 14 28 26 25 13 Es kann bis zu 2% Zinn hinzugefügt werden, um die Korrosionsfestigkeit zu verbessern.Alloys with very good properties, especially for propellers, lie roughly on a straight line that runs from e (7.6% aluminum / 150% manganese) to f (4.4% aluminum / 35% manganese). (Aluminum equivalent 10). The properties of three named alloy examples are as follows: alloy 1 2 3 composition Carbon, 0 (o ..... <0.02 <0.02 <0.02 Manganese,% ........ 15.6 20.1 35.0 Aluminum,% ..... 7.6 6.7 5.0 Nickel,% ......... 2.0 2.0 2.0 Iron,% .......... 2.7 2.7 3.0 Tin,% ........... 0 0 0 Copper, °% ......... remainder remainder remainder Aluminum- equivalent,% .... 10.1 9.9 10.6 0.15% yield strength, kg / mm2 ........... 36.1 36.1 35.3 Tensile strength, kg / mm2 77.2 73.6 67.0 Elongation, 0/0 ......... 24 25 27 Brinell hardness (10/1000), kg / mm2 .. 185 193 166 Alloys intended for castings other than propellers may require different combinations of properties; some need to be tougher and firmer and some need to be more stretchy. It is referred to in FIG. 2 referenced diagram. Alloys with the compositional limits indicated by the parallelogram g lying on either side of a line AB indicating alloys with an aluminum equivalent of 10 have properties of considerable utility for various engineering purposes. For example, the properties of two alloys are given below, one of which has high strength and the other high ductility alloy 4 5 composition Carbon, 0/0 ............. <0.02 <0.02 Manganese, 01o ................ 19.7 15.9 Aluminum,% ............. 7.6 6.7 Nickel,% .................. 2.0 2.0 Iron, 0/0 .................. 3.0 2.8 continuation alloy 4 5 Tin, 0/0 ................... 0 0 Copper,% ................. remainder remainder Aluminum equivalent, 0/0 .... 10.8 9.3 0.15% yield strength, kg / mm'2 ... 50.8 29.1 Tensile strength, kg / mm2 ......... 83.2 64.8 Elongation, 0/0 ................. 12.5 38 Brinell hardness (10/1000), kg / mm22 218 150 Although the alloys have excellent resistance to corrosion and erosion, this can be further improved by adding tin. The extent to which this can be taken advantage of is limited in alloys with a manganese content below 15% because the addition causes a loss of ductility. It has been found that larger additions can be made to alloys with a higher manganese content while maintaining high ductility, as the following table shows, the first and fourth alloy examples (tin-free) being part of the subject matter of the invention and being given for comparison purposes only. composition Manganese,% ............ 11.8 11.8 11.8 15.6 15.6 15.6 15.6 Tin,% ............... 0 0.46 0.92 0 1.04 1.56 2.08 Aluminum, 0/0 ......... 8.02 7.74 7.46 7.74 7.61 7.28 6.89 Iron,% ............... 2.69 2.75 2.82 2.80 2.77 2.75 2.74 Nickel, 0/0 .............. 0 0 0 0 0 0 0 Copper,% ............. remainder remainder remainder remainder remainder remainder 0.150 / () - yield strength, kg / mm'2 28.7 28.4 28.7 37.8 38.1 37.1 42.0 Tensile strength, kg / mm2 ..... 68.8 67.4 55.5 72.7 72.9 72.1 67.9 Elongation, 0/0 ............. 35 26 14 28 26 25 13 Up to 2% tin can be added to improve corrosion resistance.

Einige Legierungen von geringer Dehnbarkeit können eine Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur erfahren, um Kombinationen von sehr hoher Streckgrenze und mäßiger Dehnbarkeit hervorzubringen. Zum Beispiel ist es möglich, eine Legierung mit einer 0,15(1/()-Streckgrenze von ungefähr 62,0 kg/ mm'-' und einer Dehnung von 3% zu erzielen. Geschmiedete Legierungen dieser Art können wärmebehandelt werden, um ausgezeichnete Kombinationen von Festigkeit und Dehnbarkeit hervorzubringen; das folgende ist bezeichnend: Dehnung, % geschmiedet ......................... 11 geschmiedet und wärme- behandelt ......................... 16 Zusammensetzung Mangan, % ......................... 15,5 Aluminium, 0/0 ...................... 8,8 Eisen, UM ........................... 3,0 Nickel, 0/0 . . . . . . . :. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,0 Zinn, % ............................ 0 Kupfer, 0/0 .......................... Rest 0,15%-Streckgrenze, kg/mm2 geschmiedet ......................... 47,12 geschmiedet und wärme- behandelt ......................... 53,9 Zugfestigkeit, kg/mm'2 geschmiedet ......................... 88,5 geschmiedet und wärme- behandelt ......................... 87,7 Some low ductility alloys can be heat treated at low temperature to produce combinations of very high yield strength and moderate ductility. For example, it is possible to obtain an alloy with a 0.15 (1 / () - yield strength of about 62.0 kg / mm '-' and an elongation of 3%. Forged alloys of this type can be heat treated to produce excellent Bringing out combinations of strength and ductility; the following are significant: Strain, % forged ......................... 11 forged and heat treated ......................... 16 composition Manganese,% ......................... 15.5 Aluminum, 0/0 ...................... 8.8 Iron, UM ........................... 3.0 Nickel, 0/0. . . . . . . :. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.0 Tin,% ............................ 0 Copper, 0/0 .......................... remainder 0.15% yield strength, kg / mm2 forged ......................... 47.12 forged and heat treated ......................... 53.9 Tensile strength, kg / mm'2 forged ......................... 88.5 forged and heat treated ......................... 87.7

Claims

Claims: 1. Mainly present in the a- and j3-phase Copper alloy with the properties of a two-phase alloy, d u r c h g e -k e n n n z e i c h, n e t that, in addition to copper, they have carbon impurities below 0.02% from more than 15 to 35% very pure manganese, 3.5 to 9.5% aluminum, 2 to 4% Iron, not more than 6% nickel and / or not more than 2% tin, the Minimum nickel content in the absence of tin 10% and the minimum tin content in the absence of nickel is 0.25%, while in the presence of both the minimum sum of the nickel content and four times the tin content is not less than 1% and the aluminum equivalent of the aluminum and manganese present is in the range of 9 to 12%.

2. Alloy according to claim 1, characterized in that the manganese content is not more than 20%, the aluminum content not more than 9% and the aluminum equivalent not more than 11.5%.

3. Use of an alloy according to claim 1, wherein the aluminum equivalent approximately 10% for the production of castings such as ship propellers.

4. Alloy according to one of claims 1 to 3, characterized in that the content of aluminum and manganese within the limits of 7.6% aluminum and more than 150% Manganese on the one hand and 4.4% aluminum and 35% manganese on the other hand, where the Aluminum equivalent is always 9 to 12%. Documents considered German Patent No. 144 340; German interpretative document No. 1066 029; U.S. Patents No. 2,234,428, 2,287,888.