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Kupferlegierung, besonders für Konstruktionsgußstücke Die Erfindung
bezieht sich auf Legierungen auf Kupferbasis, welche eine gute Dehnung, einen großen
Widerstand gegen Spannungskorrosion und auch eine erhöhte Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit
haben müssen, und zwar auf Sondermessinge mit hoher Festigkeit. Diese Legierungen
werden in der Hauptsache für Konstruktionsgußstücke verwendet, welche erhebliche
statische und dynamische Beanspruchungen aushalten müssen. Das gewöhnlich in diesen
Fällen verwendete Messing enthält Kupfer, Zink, Mangan, Aluminium und Eisen sowie
Zinn und Blei, und zwar je etwa 0,2 °/, Zinn und Blei. Diese Legierungen haben noch
den Nachteil, daß sie eine bröcklige Struktur besitzen (Delta-Phase), welche ihre
Festigkeit beeinträchtigt.
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Ein weiterer Nachteil dieser Legierungen besteht darin, daß sie gegen
Spannungskorrosion .empfindlich sind. Aus diesem Grunde werden diese Legierungen
in solchen Fällen nicht, an ihrer Stelle aber Aluminiumbronzen benutzt. Diese haben
zwar eine geringere Spannungskorrosionsernpfindlichkeit, dagegen aber den anderen
Nachteil, daß sie schwerer als andere Legierungen zu bearbeiten und auch schwerer
als andere Legierungen, wie z. B. Gelbgußbronzen, zu gießen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Legierungen auf Kupferbasis mit erhöhter
Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit und erhöhter Dehnung sowie mit erhöhter Widerstandsfähigkeit
gegen Spannungskorrosion zu schaffen, welche im wesentlichen aus Kupfer, Zink, Mangan,
Aluminium und Eisen bestehen. Die Erfindung betrifft daher eine Legierung auf Kupferbasis
mit erhöhter Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit und erhöhter Dehnung sowie mit erhöhter
Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion, bestehend aus Kupfer, Zink, Mangan,
Aluminium und Eisen, vorzugsweise für die Herstellung von Konstruktionsgußstücken,
welche erheblichen statischen und :dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Durch die Erfindung wird die obenerwähnte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierung
aus folgenden in Gewichtsprozent angegebenen Komponenten besteht: 52 bis ,6811/0
Kupfer, 2,5 bis 501, Mangan, 2,75 bis 7,50/, Aluminium, 1,0 bis 4,00/, Eisen,
bis weniger als 0,20/, Zinn, bis weniger als 0,20/, Blei, 0;003 bis 0,501,
Bor und/oder 0,1 bis 0,3D/, Chrom und als Rest Zink außer zufällig vorhandenen Verunreinigungen.
Die Legierung enthält also die obenerwähnten normalerweise benutzten Metalle, wie
Kupfer, Aluminium, Mangan, Eisen und Zink, in bekannten Gewichtsverhältnissen zueinander.
Der Gehalt an Zinn und Blei ist möglichst weit herabgedrückt, und es sind Zusätze
von Bor und/oder Chrom vorgesehen. Die Verringerung des Zinn- und Bleigehaltes bewirkt
eine Verringerung der bröckligen Struktur und damit eine Erhöhung der Festigkeitswerte,
insbesondere auch der Dehnungswerte der Legierung, während die Zusätze von Bor und
Chrom eine Verringerung der Spannungskorrosionsanfälligkeit zur Folge haben. Der
Gehalt an Zinn und Blei soll jeweils unter dem üblichen Gehalt von 0,2
%, vorzugsweise jedoch unter 0,01 °/, liegen, während der Gehalt an Bor von
0,003 bis 0,5°/o und an Chrom von 0,1 bis 0,3°/o schwanken kann.
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Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Kupfer-Aluminium-Legierungen
ist es z. B. aus der deutschen Patentschrift 831454 bekannt, Chromzusätze in den
Größenordnungen von 0,05 bis 0,5 °/, zu verwenden. Hierbei muß aber noch eine Lösungsglühung
durchgeführt werden, die bei der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich
ist.
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Auch ist es, z. B. aus der Zeitschrift »Journal of Institute of Metals«,
1953, S.513 bis 520, bekannt, Kupfer-Aluminium-Legierungen 0,1 bis 1 °/, Bor zuzusetzen,
um eine Kornverfeinerung herbeizuführen. Bei der Erfindung werden dagegen die Bor-
und Chromzusätze zur Verbesserung .der mechanischen Eigenschaften -der Legierung,
insbesondere der Verbesserung der Zug-, Bruch-, Schlagfestigkeitswerte
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und
Dehnungswerte, in Verbindung mit einer Verbesserung der Spannungskorrosionsbeständigkeit
benutzt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der folgenden
Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung zu entnehmen.
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Eine weitere erfindungsgemäße Legierung hat folgende Zusammensetzung
in Gewichtsprozent: 55 bis 590/0 Kupfer, 2,75 bis 3,750/0 Aluminium,
2,8 bis 3,5"/, Mangan, 1 bis -1,75 °/o Eisen, bis weniger als 0,20/0 Blei und bis
weniger als 0,20/0 Zinn, 0,003 bis 0,05 °/o Bor, Rest Zink, ausgenommen sind zufällige
Verunreinigungen. Wenn diese Legierung Blei und Zinn in Mengen von je 0,010/, enthält,
dann erzielt man ein Optimum an guten Eigenschaften.
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Zum Nachweis der technischen Fortschrittlichkeit der erfindungsgemäßen
Legierungen wird nachstehend folgendes ausgeführt: Typische Gelbgußlegierungen,
welche im Handel gebräuchlich sind, sind gemäß American Society for Testing Materials
B, ASTM B, z. B. die Legierung 147 (8 B) und die Legierung 36, welche die folgenden
Zusammensetzungen aufweisen:
| Tabelle I |
| ASTM B 147 (8 B) Legierung 36 |
| °/o °% |
| Kupfer . . . . . . . . . . . 60 bis 68 55 bis 59 |
| Aluminium . . . . . . . . 3,0 bis 7,5 2,75 bis 3,5 |
| Mangan . . . . . . . . . . 2,5 bis 5,0 3,0 bis 3,5 |
| Eisen . . . . . . . . . . . . . 2,0 bis 4,0 1,0 bis 1,75 |
| Zink ............. Rest Rest |
| Zinn . . . . . . . . . . ... 0,2 maximal 0,2 maximal |
| Blei . . . . . . . . . . . . . . 0,2 maximal 0,2 maximal |
| Andere Stoffe ..... - 0,2 maximal |
Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen sind in der entenstehenden Tabelle
II aufgeführt. Die genannten Eigenschaften und Werte sind typisch für bekannte Legierungen,
die Zinn und Blei in einer Menge von etwa 0,05 °/o bis 0,20/, enthalten.
| Tabelle II - |
| Mechanische Eigenschaften ASTM B 147 (8 B) Legierung |
| 36 |
| Zugspannung (kg/mm) . . 80,7 73,0 |
| Streckgrenze (kg/mm) . . 49,0 41,5 |
| Dehnung (°/o) . . . . . . . . 15 22 |
| Brinellhärte (3000 kg) ... - 196 |
Gemäß der sich auf dem Blei- und Zinngehalt beziehenden Anweisung durch die Erfindung
wird, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil von Zinn und Blei jeweils auf weniger
als 0,010/, verringert wird, eine Dehnungsverbesserung von ungefähr 200 °/o bei
den obenangeführten bekannten Messing- oder Gelbgußlegierungen erzielt. Die Legierungen
gehören nach ihren Zusammensetzungen generell dem Typ ASTM B 147 (8 B) und Legierung
36 an. Es wurden beispielsweise in Übereinstimmung mit der Erfindung zunächst besonders
reine, bor- und/oder chromfreie Legierungen entsprechend den folgenden Zusammensetzungen
hergestellt und geprüft, wobei es sich bei den Zusammensetzungen um Gewichtsprozent
handelt:
| Beispiel |
| Chemische Prozentsätze |
| Zusammen- |
| setzung Bereich Speziallegierung |
| Kupfer ...... 55 bis 59 57,91 |
| Aluminium ... 2,75 bis 3,75 3,59 |
| Mangan ..... 2,8 bis 3,5 3,04 |
| Eisen . . . . . . . . 1,0 bis 1,75 1,61 |
| Zink . . . . . . . . 33 bis 37 33,77 |
| Zinn . . . . . . . . 0,01 maximal weniger als 0,01 |
| Blei . . . . . . . . . 0,01 maximal weniger als 0,01 |
| Andere Stoffe 1,0 maximal weniger als 0,18 |
Die Legierungen entsprechend diesem Beispiel haben die folgenden mechanischen Eigenschaften.
| Tabelle III |
| Mechanische Eigenschaften: |
| Zugspannung (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . 74,5 |
| Streckgrenze (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . 42,2 |
| Dehnung (°/a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47 |
| Brinellhärte (3000 kg) . . . . . . . . . . . . . . . . 207 |
Die Dehnung, d. h. die prozentuale Verlängerung des geprüften Gegenstandes, der
wie ersichtlich, im wesentlichen kein Zinn und Blei enthält, ist zweimal, d. h.
doppelt so hoch wie der entsprechende Wert der gewöhnlichen Legierung 36 und dreimal
so hoch wie der Wert der Legierung gemäß ASTM B 147 (8 B). Die Zugfestigkeit und
die Härte sind mit denselben Eigenschaften der handelsüblichen Legierungen zu vergleichen.
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Der Anteil von Zinn und Blei in diesen Legierungen ist scharf abgegrenzt.
Es wurden zur weiteren Erläuterung der Erfindung Legierungen hergestellt, welche
im wesentlichen entsprechend der Legierung 36 zusammengesetzt waren, jedoch mit
einem Gehalt von Zinn und Blei von etwa 0,03 °/d. Die mechanischen Eigenschaften
dieser Legierungen sind in Tabelle IV zusammengestellt.
| Tabelle IV |
| Mechanische Eigenschaften (ungefähre Werte): |
| Zugspannung (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . 73,0 |
| Streckgrenze (kg/mm2) . . . . . . . . . . . . . . . 41,5 |
| Dehnung (°/o) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23 |
| Brinellhärte (3000 kg) . . . . . . . . . . ...... 197 |
Es muß bemerkt werden, daß die Dehnung dieser Legierung im wesentlichen die gleiche
wie bei der Legierung 36 ist.
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Die obengenannten Eigenschaften wurden an Hand von Probegußbarren
ermittelt. Die Werte von diesen Probebarren stimmten gewöhnlich untereinander überein,
aber sie stimmten in der Praxis nicht immer überein mit den Werten von Probestücken,
die aus großen, komplizierten Abgüssen geschnitten sind. Es hat sich manchmal eine
Verringerung der Dehnung als Folge der Querschnittsgrößen der verschiedenen Eingüsse
und Steiger sowie der Porosität durch Schrumpfen herausgestellt. Bei der Legierung
36 hatte ein Teil eines Abgusses nur eine Dehnung von 40/0. Das bedeutete eine 80°/oige
Verringerung der Dehnung unter der Minimumstreckbarkeit von Probestücken. Solche
Gußstücke neigen zu Brüchen durch Sprödigkeit. Wenn die herabgesetzten Blei- und
Zinngehalte in den Legierungen der Erfindung ebenfalls eine
80°/aige
Verringerung der Dehnung in Abschnitten von Abgüssen aufweisen würden, behielten
sie doch nichtsdestoweniger eine Dehnung von 8 bis 100/,
und wären dadurch
weniger empfindlich gegen Brüche infolge von Sprödigkeit. Das ist besonders wichtig
für den Einsatz der erfindungsgemäßen Legierungen bei Schaltgetrieben, bei denen
die Dehnung und Schlagfestigkeit von größerer Bedeutung, und zwar sogar von größerer
Bedeutung als die spezifische Festigkeit sind.
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Dieses erfindungsgemäße Material wird oft bei Teilen angewandt, die
beträchtliche statische und dynamische Materialbeanspruchungen aushalten müssen,
und zwar im Hinblick auf eine hohe Zugfestigkeit (70 kg/mm2) und Dehnung.
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Es wurde weiter festgestellt, daß bei einem Zusatz von 0,003 bis 0,05
°/o Bor und von 0,10 bis
0,300/,
Chrom oder beiden zu Messinglegierungen mit
hoher Festigkeit nach den Vorschriften der ASTM B 147 (8 B) und Legierung 36 die
Zeit bis zum Versagen der Spannungskorrosionsprobestäbe im Vergleich mit ähnlichen
Probestäben aus der Legierung 36 und ASTM B 147 (8 B) merklich gestiegen ist, die
kein Bor und Chrom enthielten. In der Tabelle V ist eine Bor enthaltende Legierung
angegeben, die als Legierung 36 B bezeichnet wurde.
| Tabelle V |
| Prozentsätze |
| Chemische Zusammensetzung Spezial- |
| Bereich ' Legierung |
| Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . 55 bis 59 I 57,91 |
| Aluminium . . . . . . . . . . . . . 2,75 bis 3,75 3,48 |
| Mangan . . . . . . . . . . . . . . . 2,8 bis 3,5 3,12 |
| Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,0 bis 1,75 1,73 |
| Zink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rest 33,73 |
| Blei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,2 maximal 0,03 |
| Zinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,2 maximal i 0,03 |
| Bor ................... 0,01 0,011 |
| Andere Stoffe (zulässige |
| Verunreinigung) ....... 0,10 0,10 |
Um Korrosionswiderstandsproben miteinander zu vergleichen, wurden Zugversuche an
Probestäben aus der Legierung 36 und der Legierung 36 B in einer Atmosphäre von
konzentriertem Ammoniakgas bei einer Spannung von 7,0, 10,5 und 14 kg/mm2 durchgeführt.
Bei dem 7-kg/mm2-Versuch versagte der Probestab aus der Legierung 36 nach 28,5 Stunden,
während der Probestab aus der Legierung 36 B erst nach 129 Stunden versagte. Bei
dem 10,5-kg/mm2-Versuch versagte der Probestab aus der Legierung 36 nach 47 Stunden,
während der Stab aus der Legierung 36 B nach 95,25 Stunden versagte. Bei dem 14-kg/mm2-Versuch
versagte der Probestab aus der Legierung 36 nach 28,75 Stunden, während der Stab
aus der Legierung 36 B nach 93 Stunden versagte. Im allgemeinen ist die Zeit bis
zum Versagen beim Spannungskorrosionsversuch bei Bor enthaltenden Legierungen gemäß
der Erfindung mindestens doppelt so hoch wie bei nicht Bor enthaltenden Legierungen.
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Standardzugversuche mit Probestäben aus der Legierung 36 B zeigten,
daß die mechanischen Werte im Gußstadium durch den Zusatz von Bor nicht ungünstig
beeinflußt werden. Typische mechanische Werte der Legierung 36 B und der Legierung
36 sind nachstehend zu Vergleichszwecken aufgeführt.
| Tabelle VI |
| Mechanische Eigenschaften Legie Legie- |
| rung 36 |
| rang 36B |
| Zugfestigkeit (kg/mm2) . . . . . . . . 73 73 |
| Streckgrenze (kg/mm2) . . . . . . . . 41,5 40 |
| Dehnung (°/o) . . . . . . . . . . . . . . . . 22 22,5 |
| Brinellhärte (3000 kg) . . . . . . . . . 196 196 |
Bor hat in der Praxis die besten Ergebnisse gezeigt, Chrom bewirkt ebenfalls eine
Verbesserung der Spannungskorrosionseigenschaften. Jedoch ist das Element Chrom
etwas weniger wirksam als Bor. Wenn Chrom zugesetzt werden soll, ist eine Zusatzgewichtsmenge
von 0,10 bis
0,300/, zu wählen. Auch beide, Chrom und Bor, können gemeinsam
verwendet werden, z. B. 0,10/, Chrom und 0,010/,) Bor.
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Um in dem umfangreichen Bereich von Messinglegierungen mit hoher Festigkeit
von 52 % bis 68 °/o Kupfer eine Legierung mit hoher Festigkeit zu erhalten,
die sowohl gute Dehnung als auch hohen Widerstand gegen Korrosion aufweist, muß
mithin die Menge von Zinn und Blei in der Legierung jeweils unter 0,2 °/o, vorzugsweise
bei 0,01 % gehalten werden, und es müssen der Legierung gleichzeitig 0,003
bis 0,5 % Bor und/oder 0,10 bis 0,3 % Chrom zugesetzt werden.