DE1254869B

DE1254869B - Use of heat-hardenable copper-titanium alloys as a material for objects that have to have high heat resistance, insensitivity to hot gases, high fatigue strength, long-term stability and low elastic after-effects

Info

Publication number: DE1254869B
Application number: DE1957V0011972
Authority: DE
Inventors: Dr Kurt Dies
Original assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Priority date: 1957-02-20
Filing date: 1957-02-20
Publication date: 1967-11-23

Description

Verwendung von warm aushärtbaren Kupfer-Titan-Legierungen als Werkstoff für Gegenstände, die hohe Warmfestigkeit, Unempfindlichkeit gegenüber heißen Gasen, hohe Wechselfestigkeit, Dauerstandfestigkeit und geringe elastische Nachwirkung aufweisen müssen In der Technik besteht ein großes Bedürfnis an Kupferlegierungen, die sich bekanntlich durch hohe Verformungsfähigkeit auszeichnen sollen, so daß sie beispielsweise im kaltgezogenen Zustand sich noch zusätzlich verformen lassen.Use of heat-hardenable copper-titanium alloys as material for objects that have high heat resistance, insensitivity to hot gases, high fatigue strength, fatigue strength and low elastic aftereffects must have In technology there is a great need for copper alloys, which are known to be characterized by high deformability, so that For example, they can also be deformed in the cold-drawn state.

Zu den Kupferlegierungen zählen die aushärtungsfähigen Legierungen auf der Basis Kupfer-Chrom, die allerdings außerordentlich schwierig herstellbar sind. Außerdem weisen sie den Nachteil auf, daß ihre Verarbeitung infolge gewisser Sprödigkeitsbereiche beim Anlassen außerordentlich umständlich ist und daß sie im ausgehärteten Zustand eine verhältnismäßig geringe Dehnung besitzen.The copper alloys include the hardenable alloys on the basis of copper-chromium, which, however, is extremely difficult to manufacture are. In addition, they have the disadvantage that their processing as a result of certain Brittleness areas when tempering is extremely cumbersome and that they are in cured state have a relatively low elongation.

Es sind weiterhin auch schon Kupfer-Titan-Legierungen bekanntgeworden, die 5 % und weniger Titan enthalten und nach einer Vergütung durch Warmaushärtung hohe mechanische Eigenschaften bei guter Walzbarkeit erhalten.Copper-titanium alloys have also become known which contain 5% or less titanium and, after being tempered by artificial hardening, obtain high mechanical properties with good rollability.

In der Reihe der möglichen Kupfer-Titan-Legierungen gibt es nun aber gewisse Gebiete, in denen infolge eines zu hohen Gehaltes der Verbindung Cu3Ti eine starke Neigung zu Versprödungen beobachtet werden kann, so daß ihre Anwendung beschränkt bleibt. Um diesen Nachteil auszuschalten, muß darauf geachtet werden, daß die Kupfer-Titan-Legierungen mit 0,6 bis 6 % Titangehalt entweder rein sind oder nur geringe Mengen an Verunreinigungen, wie beispielsweise an Titanoxyd, Titansulfid oder andere derartige Titanverbindungen, aufweisen.In the series of possible copper-titanium alloys, however, there are certain areas in which, as a result of an excessively high content of the compound Cu3Ti, a strong tendency to embrittlement can be observed, so that their use remains limited. In order to eliminate this disadvantage, care must be taken that the copper-titanium alloys with 0.6 to 6 % titanium content are either pure or contain only small amounts of impurities such as titanium oxide, titanium sulfide or other such titanium compounds.

Obwohl es bekannt war, daß Kupfer-Titan-Legierungen der oben geschilderten Art durch Warmaushärtung eine-große Härte und Dauerstandfestigkeit haben können, war ihr diesbezügliches Verhalten bei hohen Temperaturen bisher nicht erforscht. Darüber hinaus wußte man wohl im Zusammenhang mit der Verwendung solcher Legierungen für Telefon-Leitungsdrähte, daß sie eine so große Dehnung besitzen, daß sowohl bei tiefen als auch hohen Temperaturen ohne Bruchgefahr große Abspannlängen gewählt werden können und daß diese Drähte auch große Widerstandsfähigkeit gegenüber atmosphärischen Einwirkungen aufweisen. Aus all diesen Erfahrungen und Erkenntnissen war es dem Fachmann jedoch nicht möglich, Schlüsse auf das Verhalten dieser Legierungen gegenüber heißen Dämpfen und auf die Dauerstandfestigkeit dieser Legierungen in der Wärme zu ziehen.Although it was known that copper-titanium alloys of the above Art can have a great hardness and fatigue strength due to artificial hardening, their behavior in this regard at high temperatures has not yet been researched. In addition, one knew well in connection with the use of such alloys for telephone line wires that they have such a large elongation that both at At both low and high temperatures, large guy lengths were chosen without the risk of breakage and that these wires also have great resistance to atmospheric Have effects. From all of these experiences and insights, it was that However, it is not possible for a person skilled in the art to draw conclusions about the behavior of these alloys hot vapors and the fatigue strength of these alloys in heat to pull.

Es wurde nun gefunden, daß die genannten Legierungen des Kupfers mit Titan eine hohe Warmfestigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber der Einwirkung von heißen Gasen und außerdem im kaltverformten und warm ausgehärteten Zustand gleichzeitig hohe Wechselfestigkeit in der Kälte und Wärme, hohe Dauerstandfestigkeit und gegebenenfalls geringe elastische Nachwirkungen aufweisen.It has now been found that the said alloys of copper with Titanium has a high heat resistance and is insensitive to the effects of hot gases and also in the cold-formed and warm-hardened state at the same time high fatigue strength in the cold and heat, high fatigue strength and possibly have little elastic after-effects.

Die Erfindung besteht deshalb in dem Vorschlag, warmaushärtbare Kupferlegierungen, bestehend aus 0,6 bis 6 °/o Titan, Rest Kupfer mit den üblichen Verunreinigungen, wobei jedoch der Oxyd- und/oder Sulfidgehalt unter 0,10/" vorzugsweise unter 0,05 °/a, liegen soll, als Werkstoff für Gegenstände, die sowohl eine hohe Warmfestigkeit als auch Unempfindlichkeit gegenüber der Einwirkung von heißen Gasen aufweisen müssen, z. B. Feuerbuchsen, oder als Werkstoff im kaltverformten und warmausgehärteten Zustand für Gegenstände, die gleichzeitig hohe Wechselfestigkeit in der Kälte und Wärme, hohe Dauerstandfestigkeit und gegebenenfalls geringe elastische Nachwirkungen aufweisen müssen, z. B. Kurbelwellen, Pleuelstangen und gegebenenfalls Federn, zu verwenden.The invention therefore consists in the proposal to use thermosetting copper alloys, consisting of 0.6 to 6% titanium, the remainder copper with the usual impurities, however, the oxide and / or sulfide content is below 0.10 / ", preferably below 0.05 ° / a, should be, as a material for objects that have both a high heat resistance as well as being insensitive to the effects of hot gases, z. B. fire bushes, or as a material in the cold-formed and artificially hardened state for objects that have high fatigue strength in cold and warm at the same time, have high fatigue strength and possibly low elastic after-effects must, e.g. B. crankshafts, connecting rods and possibly springs to use.

Die Eigenschaften, durch die die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen besonders für die Herstellung von Federn geeignet sind, entsprechen denjenigen der am besten für diesen Verwendungszweck geeigneten bekannten Kupfer-Beryllium-Legierungen. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen besitzen jedoch eine bessere Wechselfestigkeit. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen besteht darin, daß das Titan technisch wesentlich leichter zugänglich und daher billiger ist als Beryllium und zur Erzielung entsprechender Federeigenschaften und höherer Wechselfestigkeit nur etwa die gleichen prozentualen Legierungsanteile erforderlich sind.The properties through which the alloys to be used according to the invention are particularly suitable for the production of springs, correspond to those of known copper-beryllium alloys best suited for this purpose. The alloys to be used according to the invention, however, have better fatigue strength. Another advantage of the alloys to be used according to the invention is that that the titanium is technically much more easily accessible and therefore cheaper than Beryllium and to achieve appropriate spring properties and higher fatigue strength just about the same percentages of alloy are required are.

Um diese Legierungen herzustellen, wird vorteilhaft Kupfer zunächst mit den üblichen technischen Hilfsmitteln oxydierend erschmolzen und anschließend durch Zusatz von Phosphor oder anderen Desoxydierungsmitteln, wie beispielsweise Lithium, Beryllium, Magnesium, Calcium u. dgl., desoxydiert. Anschließend kann das Titan entweder als reines Metall oder in Form von Titanschwamm oder aber auch als Vorlegierung, die entweder auf dem Sinter- oder auf dem Schmelzweg hergestellt wurde, zulegiert werden. Infolge der hohen Affinität von Titan zu Sauerstoff sind besondere Maßnahmen zur Verhütung der Oxydation zu ergreifen, wie beispielsweise Schmelzen unter Schutzgas oder Schmelzen unter einer Salz- bzw. Schlackendecke. Besonders vorteilhaft hat sich das Schmelzen im Vakuum erwiesen, wobei das Vakuum zweckmäßig zwischen 10-1 und 10-4 Torr liegt. Anschließend wird die Legierung im Einzelguß oder im kontinuierlichen Gießverfahren zu Blöcken oder Barren beliebiger Form und Größe vergossen. Es können aber auch Einzelteile im Sand-, Kokillen- oder Druckguß oder nach einem Genaugußverfahren hergestellt werden.To manufacture these alloys, copper is beneficial first Melted with the usual technical aids in an oxidizing manner and then by adding phosphorus or other deoxidizing agents, such as Lithium, beryllium, magnesium, calcium and the like are deoxidized. Then it can Titanium either as a pure metal or in the form of titanium sponge or as Master alloy that was produced either by sintering or by melting, be alloyed. Due to the high affinity of titanium for oxygen are special Take measures to prevent oxidation, such as melting under protective gas or melting under a salt or slag cover. Particularly Melting in vacuo has proven to be advantageous, the vacuum being expedient is between 10-1 and 10-4 torr. The alloy is then cast individually or in the continuous casting process into blocks or bars of any shape and Size potted. But there can also be individual parts in sand, chill or die casting or by a precision casting process.

Um die Legierungen in einen ausscheidungsfähigen Zustand zu bringen, ist es notwendig, entweder sofort aus der Gieß-, Preß- oder Schmiedehitze Gußteile, Stangen, Rohre oder Preßteile auf eine Temperatur über der jeweiligen Löslichkeitsgrenze zu erwärmen, um sie dann in Wasser abzuschrecken oder langsam an Luft erkalten zu lassen. Durch eine derartige Abschreckbehandlung gelingt es, dem Werkstoff eine außerordentlich große Weichheit zu verleihen, wobei die Brinellhärte zwischen 45 und 90 kg/mm2 liegt. Die Dehnungs- und Verformungsfähigkeit in diesem Zustand ist sehr hoch, so daß die Legierungen durch Pressen, Walzen oder Ziehen sehr stark kaltverfestigt werden können, ohne dabei Gefahr zu laufen, das Verformungsvermögen zu erschöpfen.In order to bring the alloys into a precipitable state, it is necessary to either immediately remove castings from the casting, pressing or forging heat, Rods, tubes or pressed parts to a temperature above the respective solubility limit to be heated in order to then quench them in water or to cool them slowly in air permit. Such a quenching treatment makes it possible to give the material a to give extraordinarily great softness, the Brinell hardness between 45 and 90 kg / mm2. The ability to stretch and deform in this state is very high, so that the alloys are work-hardened to a very high degree by pressing, rolling or drawing without running the risk of exhausting the deformability.

Beispielsweise hat eine Legierung mit 1 % Titan sofort nach dem Pressen eine Brinellhärte von etwa 72 kg/mm2. Durch eine halbstündige Glühung bei 850'C sinkt die Brinellhärte auf 55 kg/mm2. In diesem Zustand ist das Material außerordentlich verformungsfähig. Durch 11/Zstündiges Glühen bei 475'C steigt die Brinellhärte auf etwa 130 kg/mm2 an. Durch eine zwischen Lösungsglühen und Warmaushärtung eingeschaltete Kaltverformung kann die Brinellhärte auf etwa 160 kg/mm2 angehoben werden. In diesem Zustand zeichnet sich das Material durch besonders hohe Dauerstandfestigkeit in der Wärme und besonders durch eine außerordentlich hohe Anlaßbeständigkeit aus.For example, an alloy with 1 % titanium has a Brinell hardness of about 72 kg / mm2 immediately after pressing. By annealing at 850'C for half an hour, the Brinell hardness drops to 55 kg / mm2. In this state the material is extremely ductile. By annealing at 475'C for 11/2 hours, the Brinell hardness increases to about 130 kg / mm2. Cold working between solution heat treatment and artificial aging can increase the Brinell hardness to around 160 kg / mm2. In this state, the material is characterized by a particularly high fatigue strength in the heat and, in particular, by an extremely high resistance to tempering.

Im kaltgezogenen und warmausgehärteten Zustand weisen die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen eine hohe Wechselfestigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen und eine geringe elastische Nachwirkung auf, so daß sie sehr gut für dauerbeanspruchte Bauteile und insbesondere für Federn aller Art, vor allem Uhrenfedern, brauchbar sind. Infolge ihres hohen Korrosionswiderstandes gegenüber heißen Gasen kann eine entsprechend ausgewählte Legierung sich auch für die Herstellung von Feuerbuchsen eignen.In the cold-drawn and heat-hardened state, according to the invention The alloys to be used have a high fatigue strength at high and low temperatures and a low elastic after-effect, so that they are very good for long-term loads Components and especially for springs of all kinds, especially watch springs, useful are. Due to its high corrosion resistance to hot gases, a appropriately selected alloy is also used for the manufacture of fire boxes suitable.

Mitunter ist die hohe Zähigkeit unerwünscht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Werkstoff einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen werden soll. In solchen Fällen werden den Legierungen 0,1 bis 3 % Blei, Schwefel und/oder Tellur als spanbrechender Bestandteil zugesetzt.The high toughness is sometimes undesirable. This is particularly the case when the material is to be subjected to machining. In such cases, 0.1 to 3 % lead, sulfur and / or tellurium are added to the alloys as a chip-breaking component.

Claims

Claims: 1. Use of thermosetting copper alloys, consisting of 0.6 to 6% titanium, the remainder copper with the usual impurities, however, the oxide and / or sulfide content is below 0.1 "/", preferably below 0.05 ° / o, intended to be used as material for objects; which both have high heat resistance as well as being insensitive to the effects of hot gases, z. B. fire bushes, or as a material in the cold-formed and artificially hardened state for objects that have high fatigue strength in cold and warm at the same time, have high fatigue strength and possibly low elastic after-effects must, e.g. B. crankshafts, connecting rods and possibly springs.

2. Use of thermosetting copper alloys of the composition specified in claim 1, which, however, additionally contain 0.1 to 3 % lead, sulfur and / or tellurium as a chip-breaking component, for the purpose specified in claim 1.

3. A method for tempering the alloys to be used and composed according to claim 1 or 2, characterized in that the alloys are solution annealed, optionally subsequently hot-worked above 600 ° C, and then hot-hardened at 300 to 700 ° C with or without intermediate cold working. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 593 783, 623 845, 691138; Austrian Patent No. 122,471; British Patent No. 349 142; "Zeitschrift für Metallkunde", 39 (1948), p. 173, and 43 (1952), p. 113; "Metall", 7 (1.953), issue 23/24, pp. 985 to 992; "Metals Handbook", 1948, p. 1205.