DE1458429A1

DE1458429A1 - Kupfer-Nickel-Legierung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1458429A1
Application number: DE19641458429
Authority: DE
Inventors: Douglas Brown; Richardson William Henry
Original assignee: ALLOYS LANGLEY Ltd
Current assignee: ALLOYS LANGLEY Ltd
Priority date: 1963-04-25
Filing date: 1964-04-24
Publication date: 1969-02-20
Also published as: GB999438A

Description

DR.-1NQ. FRED MAYER DIPL-INQ. DIETER JANDER # rC^*"***^*-^^ 145 8 4 29 PATENTANWÄLTE

1 BERLIN 33 (DAH LEM)-HÜTTENWEQ 15

Telefon: 76 13 03 ■ I'm I ι Ii Wl M^nTIl I ii I ή ι I I in B_;f rl I n-West 1743 84 Telegramme: Consideration B e r 11 n-B*e*rY?»*t^B a n k A(^, Depositenkesse T

MeinzeicHen: 48/10221 DE _Tag:"^4. iprll 1964

Patentanmeldung

der Firma

Langley Alloys Limited, Langley, Slough, County of Buckingham, Großbritannien

"Kupfer-liickel-Legierung und Verfahren zu deren Herstellung"

Die Erfindung betrifft Kupfer-Hickel-Legierungen.

Seit langem hält man Kupfer-Hickel-Verbindungen und insbesondere Legierungen mit 40$ Nickel am geeignetsten für die Behändlung korrodierender Flüssigkieten und insbesondere von Seewasserj aber auch auf anderen Grebieten hat man sie in grossem Umfange angewendet, beispielsweise als Rohre für Kondensatoren·

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Es sind auch schon sehr viele Versuche unternommen worden, die Eigenschaften dieser Legierungen und insbesondere ihre Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Die bekannten Kupfer-Nickel-Legierungen, die man bisher benutzt hat, weisen eine verhältnismässig kleine Festigkeit auf, obwohl sie ungewöhnlich gut verformbar, insbesondere duktil sind.

Im folgenden soll ein Beispiel für die mechanischen Eigenschaften einer üblichen Legierung aus 70$ Kupfer und 30$ Nickel nach erfolgter Wärmebehandlung und erfolgtem Glühen wiedergegeben werden:

0,5# Dehnung bei der Prüfung - 10 Tonnen/je Quadratzoll

Zugfestigkeit - 28 Tonnen/je Quadrat

Dehnung —

Izod-Wert - 80

(l Quadratzoll » 6,452 cm )

I¹Ur Werkstoffe dieser Art, welche die Fähigkeit haben, im Betrieb sehr viel höhere Beanspruchungen auszuhalten und infolgedessen höhere Festigkeiten haben müssen, besteht eine stark zunehmende Nachfrage. Insbesondere wird eine merklich höhere Dehnungsfestigkeit bzw. höhere Prüfbeanspruchung verlangt, obwohl die Festigkeit gegenüber Stoßbeanspruchungen nicht allzu sehr herabgesetzt werden darf, so dass die erforderlichen Legierungen einen hohen Grad der Duktilität, insbesondere in Werten nach dem Izod-Prüfverfahren aufweisen müssen.

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Sie Hinzufügung von Niob zu den Legierungen dieser Gruppe als Mittel zur Erzielung einer höheren Dehnungsfestigkeit ist bereits bekannt, und man erhält mit Legierungen aus
7 O^ Kupfer und 30# Nickel, denen man 2$ iSiob als Verstärkungsmittel hinzufügt, folgende Eigenschaften:

0,59ε Prüfdehnung - 25 Tonnen je Quadratzoll Zugfestigkeit - 46 Sonnen je Quadratzoll Dehnung ■-

Diese Eigenschaften ergaben sich bei dieser Legierung nach der Warmbearbeitung, auf welche eine Abschreckungshärtung folgte.

Die günstigen Wirkungen der Beimischung von Aluminium al« Verstärkungskomponente in Kupfer-Hiekel-Legierungen ist
ebenfalls seit langem bekannt. Legierungen dieser Art mit den höchsten Festigkeiten sind, unter der Handelsbezeichnung "HIDUBAX" und^lfHIMJHAX SPSGIAL« bekannt geworden, deren
typische Zusammensetzung folgende ist1

flicke!	14,90Jt
Aluminium	2,60*
Bisen	1,00*
Mangan	0,15*
Kupfer	Best

Diese Legierung weist in heiß gewalztem Zustand folgende
mechanische Eigenschaften auf1

Q₉lf> Prüf dehnung - 42,4 üonnen je Quadratzoll

Zugfestigkeit - 58,4 " " ^M

Dehnung - 15»5*

IZOP-Wert - 10

- 4 909808/0129

Aus dieser Tabelle ersieht man» dass diese Legierung eine ganz wesentlich höhere Prüfdehnung und Zugfestigkeit aufweist als die oben erwähnten Legierungen, dass aber die Duktilität im Vergleich zu der Sehnung, wie sie sich aus der Dehnung und dem IZOD-Wert ergibt, sehr viel kleiner ist..

Das unter der Bezeichnung "HIDURaX SPECIiL" im Handel erhältliche Material ist im Abschreckungsbad gehärtet, so dass seine Duktilität noch weiter herabgesetzt wird, wenn die Legierung beim Abschreckungshärten oder Vergüten auf 40O⁰C bis 60O⁰G erwärmt wird, so dass dieses Material für eine praktische Verwendung innerhalb dieses Temperaturbereiches, insbesondere bei Stoßbeanepruchungen, nicht geeignet ist· Das Sprödewerden bei höheren Temperaturen beeinträchtigt auch die Schweissbarkeit der Legierung.

Bisher hat man geglaubt, dass sich die beste Kombination aller dieser Eigenschaften derartiger Kupfer-Nickellluminium-Legierungen dann erreichen lässt, wenn das Verhältnis von Nickel su Aluminium etwa 5«1 beträgt.

ist nun gefunden worden, dass durch ein noch weitergehendes Heraufsetzen dieses Verhältnisses sich eine Legierung ergibt, die eine beträchtlich höhere Duktilität aufweist, wie sie sich aus der Dehnung und dem IZOD-Wert ergibt, wobei die Prüfbeanspruchung und die Zugfestigkeit nur ganz unwesentlich absinken, wenn die Prosentgehalte an Nickel und Aluminium gewählt werden, wie dies in dem folgenden Beispiel I wiedergegeben ist.

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Zusamme nae taung It .14

ffiekel 16,1 * Aluminium 1,7Uf Ilsen 1,47* Mangan 0,25* Ausgleich praktisch nur Kupfer

Mechanische Eigenschaften unter den Bedingungen

des Heißwalzena bei IQOO⁰Q ^ 1050°S

0,1* Prüfdehnung - 35,2 Tonnen je Quadratzoll Zugfestigkeit - 47,2 Tonnen je Quadratzoll Dehnung ..- 21*
IZOD-Wert - 30 I¹UB per Pfund

Sine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dieser Kupfer-Legierungen ergab sich, wenn man zu diesen Legierungen mit einem hohen Verhältnis von Nickel zu Aluminium einen merklichen Prpzentgehalt von Mangan hinzufugte· Wie die folgende Tabelle (Beispiel II) zeigt, ergab sich auch eine merkliche Zunahme des IZOB-Wertes für die Schlagfestigkeit.

Zusammensetzung L.17

Nickel	17,3 *
Aluminium	1,59*
Bisen	1,14*
Mangan	4,87*

Als Ausgleich dient im wesentlichen nur Kupfer.

Mechanische Eigenschaften im Zustand des Heißwalzena

0,1* Prüfdehnung - 34,4 Tonnen je Quadratzoll Zugfestigkeit -46,4 ^lf " ^M Dehnung - 29*
IZOD-Wert - 60 fuß per Ifund

- 6 909808/0829

Diese Legierungen können einem Vergütungsverfahren unterworfen werden, um sowohl die Prüfbeanspruchung als auch die Zugfestigkeit zu erhöhen und, obwohl eine gewisse Herabsetzung des IZOD-Stoßwerteβ eintritt, ist das Endergebnis sehr viel besser als man es erreichen könnte, wenn man eine Legierung nach Art der Legierung "HIDURAX SPECIAL" verwenden würde.

Diese Verhältnisse ergeben sich aus folgender Gegenüberstellung:

Beispiel III Zusammensetzung L.20

JJiickel 18,2# Aluminium 1,86$ Eisen 1,32$ Mangan 4,77$ Als Ausgleich dient im wesentlichen nur Kupfers

Mechanische Eigenschaften heißgewalat Wärmebehandlung 4 Std.

bei 550 Grad C.

0,l# Prüf dehnung . 29.6 36,0 Tonnen je QuadrataoOL

Zugfestigkeit 45.6 54.8 " ■" "

Dehnung 3<¥ 22#

IZOD-Wert 70 37 Fuß per Pfund

Nach beendigter Wärmebehandlung können diese Legierungen durch Behandlung in einer Lösung in einem Temperaturbereich von75O°C bis 105O⁰C erweicht werden, um im Falle einer Legierung von der Zusammensetzung nach Beispiel II die folgenden Eigenschaften zu ergeben·

0,l# Prüfdehnung - 7.92 Tonnen je QuadratzoH ■ Zugfestigkeit - 27.08 ⁿ " ⁿ

Dehnung - 60$

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In diesem Zustand können die Legierungen bei !Temperaturen im Bereich zwiechen 35O⁰C "bis 650 C und vorzugsweise während der Dauer von 4 Stunden bei 60O⁰C vergütet werden, so dass sich die folgenden Werte ergeben:

0,1 Prüfdehnung - 28.8 Sonnen je Quadratζoll

Zugfestigkeit - 48·O " " ^M

Dehnung - 28.OJ6

Einschnürung - 42.5#

.Nach der Behandlung in der Lösung sind die Legierungen hervorragend geeignet, um im Kaltzieh-Verfahren oder KaItwalK-Verfahren zu Streifen, Drähten, Röhren, Stangen oder Blechen verarbeitet zu werden.

Im Anschluß an diese Behandlung kann das Material einer Vergütung unterworfen werden für den fall» dass die extrem gute Kombination von festigkeit und Duktilität erreichbar ist, wie sie sich aus dem gemessenen Wert für den IZOD-Schlagbetrag ergibt.

kaltgewalzt und anschliessende Wärmebehandlung bei 450 Grad während 4 Std.

O,is6 Prüf dehnung - 48.0 Tonnen je Quadratzoll

Zugfestigkeit - 56.3 « « "

Dehnung - 16j6

IZOD-Wert - 46 -*uß per Pfund

Wie oben bereits festgestellt worden ist, zeigt die unter der Handelsbezeichnung ¹¹HIDUBAX SPECIAL¹¹ bekannte Legierung

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bei Temperaturen von etwa 40O⁰O einen erheblichen Verlust an Duktilitätseigenschaften.

Dagegen zeigte die Legierung L.20 (siehe Beispiel III) nach Prüfung bei 4-00 O auf Zugbeanspruchung die folgenden Eigenschaften:

Zugfestigkeit - 36.8 Sonnen Je Quadratzoll Dehnung - 24*

während eine Legierung nach Art der "HIDIIBiZ SPECIAL-Legierung", d.h. also folgender Zusammensetzung

Wickel 15.5t Aluminium 2.10* Mangan 0.15* Bisen 0.70*

(Als Ausgleich dient im wesentlichen nur Kupfer)

bei einer Prüfung auf Zugfestigkeit bei 400⁰C zu folgenden Werten führtet

Zugfestigkeit - 41.75 Sonnen j# Quadratzoll Dehnung - 1*0*

Die erste Legierung für Wärmebehandlung nach Beispiel III hat folgende Zusammensetzungt

Nickel - 18,3 * Aluminium - 1,665ε Mangan - 5,Oj6 Eisen - 1,47* Als Ausgleich dient im wesentlichen nur Kupfer·

Dieses Material war in Grußblöcke mit einem Durchmesser von 17,1 cm gegossen worden, die dann τon einer Temperatur

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von 1020⁰C aus zu Stangen mit einem Durchmesser von 7,19 cm gewalzt wurden.

ergaben gioh folgende Eigenschaften:

0ψ\$> Zugfestigkeit - 33«5 tonnen je Quadratzoll

Zugfestigkeit - 51.5 " " "

Dehnung - 32·5^

IZOD-Wert · - 61 I¹UB per 'Pfund.

Zuschläge

Günstige Wirkungen ergeben eich beim Zuschlag von 3# ^Fi ob, Chrom und/oder Silizium*

Die Eigenschaften von Legierungen, welche diese Elemente enthalten* sind in Tabelle 1 wiedergegeben, aus der man ersieht, dass die Wirkung des Ebbs von besonderem Wert für die Erzielung grosser Festigkeit zusammen mit hoher Duktilität beim Heißwalzen ist. Die Prüfdehnung und Zugfestigkeit dieser Legierung im Zustande des Warmwalzens sind tatsächlich gröeaenordnungsmässig denjenigen Werten sehr ähnlich, die man mit Hilfe der "HIDUEJiX SIEGIAL"-Legierung erhält, indessen ist der IZQD-Schlagfestigkeitswert beträchtlich grosser.

Im Gegensatz dazu wirkt sich ein Zuschlag von Chrom sehr wenig auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung aus, bietet aber den Vorteil der Erhöhung der Festigkeit gegen Oxydation, während sich die Gegenwart von Silizium so bemerkbar macht, dass die entsprechende Legierung eine extrem hohe Zugfestigkeit aufweist, die mit guter ·

Bildsamkeit und besseren Werten des Widerstandes gegen Abnutzung oder Abschleifen kombiniert ist.

- 10 -

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TABELLE I

Analyse

Sohmelz- Kupfer Nickel .Aluminium flues Ho, JE - $ $>

Mangan Slaen Behandlung

Zug-

nuag

nung

Tonnen je
Quadratzoll

Izod-Weri sGhnü- Fuß rung per Pfund in?&

Ausgleich 17.0
" 17.0

Il

If

22.0
22.0

17.9
17.9

16.8
16.8

18.4
18.4

1.76 1.76

1.92 1.92

1,73 1.73

1.89 1.89 0.88 0,35 heias +4 Std. 55O°C.41.6 56.0 22,0 47.5 0.88 0,35 gewalzt .* > 44.8 61.6 18.0 32.5

4.7 4.7

5.30 0.28 0.33 5.30 0.28 0,33

4.70 0,95 Ο7β5 4.70 0.95 0,65

5.45 5.45

4.55 4-55

1.18 0.81
1.18 0,81

Cr

0,80 0,41
0.80 0.41

It
il

(I
Il

_o 43.2 59.6
+4 Std, 55O°C 48.0 64.0

+4 Std.

50,4 61.0
52.0 63.8

_ 27.2 43.2
+4 Std. 55O⁰C 37.2 52.2

. 32.8 48.4
+4 Std. 45O⁰O 38.4 56.0

19.0 42,5 15.0 27.5

19.0
10.0

35.0
21.0

30,0
20,0

30.0 25.0

61.0 35.0

62.0 42.0

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H58429 - αϊ -

Die Legierungen nach der Erfindung können auch in Form von Gußstücken, die in Sand abgeformt sind, hergestellt werden} ale Gußstücke bieten sie eine hervorragende Kombination der

spezifischen Eigenschaften, wie das folgende Beispiel zeigt.

Sine Legierung mit folgender Zusammensetzung! Nickel 17,3 $

Aluminium 1,96 # .

Mangan 5»15 ^

Bisen 1,52 +

(Zum Ausgleich dient ausschliesslich Kupfer)

besitzt beim Giessen in eine Sandform folgende mechanische Eigenschaften»

0,1Jt Zugfestigkeit - 29.0 Tonnen Je Quadrat zoll

Zugfestigkeit ~ 43.0« « «

Dehnung - 13#

IZOD-Sehlagfestigkeitgwert 28 PuS per Pfund.

Die Legierungen nach der Erfindung zeigen ausserdem die Eigenschaft sehr geringer magnetischer Permeabilität, wie die folgenden Beispiele zeigern

Beispiel IY Sine Legierung mit folgender Zusammensetzung«

Wickel 16.9#

Aluminium 1

iSamgan 5

Eieen 0

Zum Ausgleich ausschliesslioh Kupfer

besaß bei der Herstellung in Form yon hti«agewalzten Stangen eine magnetische Permeabilität τηηΙ,ΟΙ.

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Beispiel Y Legierung mit folgender Zusammensetzung

nickel 19.4 16 .Aluminium 1.8 Jt Mangan 4.7 J*

Eisen O.95#

Zum Ausgleich auischlieeelich Kupfer

besaß beim Gießen in eine Sandform und ohne weitere Wärmebehandlung eine magnetische Permeabilität von 1,005.

Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Korrosionsprüfungen, die in einer 3 #igen Lösung τοη Natriumchlorid yorgenow&en wurden·

Eine Legierung Ko. L* 20 besaß folgende Zusammensetzung

•Aluminium 1.86 i» Nickel 18.2 j Mangan 4.77 J* Eisen 1.52 J*

Kupfer .Ausgleich

Hieraus ersieht man, dass diese Legierung eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion aufweist als die Legierungen BS. 2032, BS.2033 und das "HIDUIUX SPECIAL¹¹.

^; Legierung	Sindringgeschwindigkeit je Monat in Zoll
Tabelle II _Bg# ₂₀₃₂ BS. 2033 "HIDDBAX SPECIAL" ) Legierung L.20 i	0.00022 0.000222 0.000054 0.000019

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«te. ■-'.

Aus diese:]! !Tabellen ergibt sich mit aller Deutlichkeit, dass die Legierung nach der Erfindung in einer aueaewördent-IiOh grossen Vielzahl metalliir gis eher Aueführung·formen hergestellt werden kann, wobei sieh die überraschend» Wirkung einer geradezu einzigartigen Kombination grosser festigkeit mit ungewöhnlich grosser Bildsamkeit und niedriger magnetischer Permeabilität sowie mit einer hervorragenden Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion ergibt.

Claims

j Dr.

DR.-INQ. FRED MAYER

DiPL-iNQ.DIETER/ANDER I A JT. LXDU 1

PATENTANWÄLTE mim-* ■—■.- ... . , ^ I

T BERLIN 31 IPAHLEM)-HOTTENWEo TS lU

Telefon: 76 13 OJ · Potttcheckkonto Dieter lander BerHn-Wett 1743 84 Telegramm·; Consideration Berlin * Berliner Bank AG., Deposltenfcasse 1

Mein Zefclte-n: 46/10221 DB Ta₈: 24-· April 1964

Patentanmeldung

der Firma

Langley Alloys Limited

Langley» Slough,

Count/ Buckingham«

Großbritannien

Patentansprüche

l^JKupfer-Uickel-Legierung, gekennzeichnet durch

Nickel 15 - 32 £

Aluminium 0.5 "bia 5 #» inabesondere mehr als IjC, aber weniger als l/6 des haltes«

Mangan bis zu

Eisen bis zu

Chrom bis zu

Silifium bis au

Hiob bis zu

sum Ausgleich Kupfer»

2) Legierung nach Anspruch» gekennzeichnet durch

nickel 15 - 20 f>

Aluminium " ' 1 - 2 jC

Mangan 4 - 6 ^

Bisen 1 - 2

zum Ausgleich Kupfer.

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( 3))Verfahren zur Heretellung einer Kupfer-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g β k β η η ζ e i c h η β t, dass sie einer Wärmebehandlung bei einer !Temperatur zwischen 100<> °üna 1050⁰C unterworfen wird.

4) Verfahren zur Heretellung einer Kupfer-Nickel-Legierung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t, dass sie einer Wärmebehandlung und der Behandlung in eimer Lösung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 75O⁰C und 105O⁰C unterworfen wird·

5) Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-Nioke!-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis A₉ dadurch g β k β η η -zeichnet, dass die Legierung bei Temperaturen zwischen 35O⁰C und 65O⁰C vergütet wird,

6) Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 3» 4 oder 5t dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach der Behandlung in einer Lösung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 75O⁰C und 1050⁰G einer Kaltbearbeitung unterworfen wird, an die sich gegebenenfalls βixk Vergütungsverfahren anschlieest.

7) Kupfer-Nickel-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie 3 i> Niob, Chrom und/oder Silizium enthält.

8) Kupfer-Kickel-Legierung nach Anspruch 1» 2 oder 7, dadurch g β k e η η ζ ei Q Ja. η β t, dass sie Ια Gießverfahren hergestellt 1st. ^

9) Anwendung eines Verfahrene «ur Herstellung von Kupfer-Hickel-Legierungen nach Inspruch 1 oder Unteraneprüchen zur Herstellung von Schmiedestücken. ^

DJtWBiBI ^;

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