DE1558622B2

DE1558622B2 - Legierungen auf der Basis von Kupfer

Info

Publication number: DE1558622B2
Application number: DE19671558622
Authority: DE
Inventors: Smith Richard D
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1966-03-01
Filing date: 1967-03-01
Publication date: 1970-11-26
Also published as: GB1129482A; JPS5021966B1; DE1558622A1; FR1512929A; US3402043A

Description

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Die Erfindung betrifft wesentlich verbesserte Legie- und selten über 21,0 kp/mm² erreichen. Dementsprerungen auf der Basis von Kupfer mit einem Gehalt an chend besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen Zink, Aluminium und Kobalt, wobei diese Legierungen hohe Streckgrenzenwerte im kaltverf ormten Zustand, wesentlich verbesserte pyhsikalische Eigenschaften beispielsweise 62,3 kp/mm^a und mehr nach einer haben und für einen weiten Anwendungsbereich ge- 5 50°/₀igen Querschnittsabnahme bei der Kaltverforeignet sind, wozu Gußstücke, Schmiedestücke, Preß- mung, wohingegen übliche Legierungen gewöhnlich linge und warm- oder kaltgewalzte oder gezogene Pro- solche im Bereich von 35,2 bis 52,7 kp/mm² liegend dukte gehören. Die verbesserten Legierungen gemäß aufweisen.

der Erfindung sind insbesondere für den Gebrauch bei Außerdem und als wesentliche Eigenschaft sind die

Schmiedestücken geeignet. io erfindungsgemäßen Legierungen durch eine hohe Ver-

Jahrelangwurden zahlreiche Versuche unternommen, formbarkeit gekennzeichnet. Benutzt man das hoch die Festigkeitseigenschaften von duktilem Messingzu verformbare 70/30er Messing als Maßstab, so besitzen verbessern, ohne dessen Verformbarkeit einzubüßen. die Legierungen gemäß der Erfindung eine vergleich-Diese Versuche konzentrierten sich auf die Verwendung bare Verformbarkeit. Dies ist besonders überraschend einer großen Vielzahl von Legierungszusätzen, um 15 in Anbetracht der hohen Festigkeit der Legierungen diesen Zweck zu erreichen. Einige dieser Legierungszu- gemäß der Erfindung.

sätze sind ziemlich teuer und tragen zu den Kosten für Diese überraschenden Eigenschaften bei einer preis-

die Legierung erheblich bei. werten Legierung sind besonders unerwartet in Anbe-

Außerdem wurden in der Technik viele ungewöhn- tracht des umfangreichen Wissens auf diesem Gebiet, liehe thermomechanische Verfahren gründlich unter- 20 wobei eine Angleichung an diese Eigenschaften versucht, um die Festigkeitseigenschaften ohne Beein- sucht worden war.

trächtigung der Verformbarkeit zu verbessern. Die erfindungsgemäßen Legierungen gehören zum

Die Messingsorten, die von der Technik entwickelt Typ der Gußsondermessinge, welche bekanntlich

worden sind, sind im allgemeinen Mehrphasenlegierun- neben Kupfer und Zink auch noch etwas Aluminium gen mit begrenzter Duktilität und Kaltverformbarkeit. 25 enthalten. Derartige Messingtypen besitzen grundsätz-DerartigeLegierungensindfürdieAnwendungals Guß- lieh eines der folgenden Gefüge: (1) ein Alpha-Gefüge stücke oder warmverarbeitete Produkte sehr geeignet. (kubisch flächenzentriert) oder (2) ein Mischgefüge aus Trotz dieser ausgedehnten Untersuchungen hat über Alpha-plus einer begrenzten Menge eines Beta-Gef üges

die Jahre hinweg ein 70/30er Messing als beste und (kubisch raumzentriert).

wirtschaftlichste Legierung auf Kupferbasis für An- 30 Die Zugabe von Aluminium zu Kupfer-Zink-Legiewendung unter schweren Verformungsbedingungen rungen ist seit langem für ihren festigkeitsverstärkenvorgeherrscht. den Effekt auf derartige Legierungen bekannt. Der

Demgemäß ist vorrangiges Ziel der Erfindung, eine Nachteil eines Aluminiumzusatzes ist der, daß in geverbesserte Legierung auf Kupferbasis zu schaffen. sättigten Legierungen mit einer Alphaphase, die die Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, Legierungen auf 35 höchsten Festigkeiten besitzen, kleine Änderungen des Kupferbasis zu schaffen, die verbesserte Festigkeits- Aluminiumgehalts im allgemeinen große Änderungen grenzen sowohl im voll geglühten als auch im kaltver- der Duktilität und Festigkeit zur Folge haben. Diese formten Zustand besitzen. großen Änderungen ergeben sich aus dem Gefügeauf-

Außerdem ist Ziel der Erfindung, solche verbesserten bau der gesättigten Legierung, die sich mit dem Alumi-Legierungen auf Kupferbasis zu schaffen, die verbes- 40 niumgehalt ausgeprägt ändert. Zum Beispiel kann eine serte Festigkeitseigenschaften bei einer minimalen Ein- Änderung des Aluminiumgehalts von einem Prozent büße an Verformbarkeit aufweisen. eine Steigerung im Betaphasengehalt bis zu 33 Prozent

Schließlich ist ein weiteres Ziel der Erfindung die verursachen.

Schaffung einer verbesserten Legierung auf Kupfer- Erfindungsgemäß wurde überraschenderweise ge-

basis, wobei diese Legierung durch verhältnismäßig 45 funden, daß der Zusatz von Kobalt im Bereich von niedrige Kosten gekennzeichnet ist, so daß sie wirt- 0,1 bis 3 % die Nachteile der ternären Kupfer-Alumischaftuch für den Einsatz im großen Maßstab einge- nium-Zink-Legierungen derart beseitigt, daß die Eigensetzt werden kann. schäften und das Gefüge einheitlicher über einen an-Weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung gehen aus wendbaren Bereich im Aluminiumgehalt sind. Außerdem Folgenden hervor. 50 dem wird ein sehr ausgeprägter Kornfeinungseffekt Es wurde gefunden, daß die genannten Ziele leicht durch den Kobaltzusatz erhalten, der sehr vorteilhaft und in geeigneter Weise erreicht werden können. Die ist.

verbesserte Legierung gemäß der Erfindung besteht Erfindungsgemäß müssen die Bestandteile der Legie-

aus den folgenden Bestandteilen in den genannten Be- rung unbedingt in den genannten Bereich fallen. Der reichen, wobei alle Prozentzahlen sich auf das Ge- 55 Kupfergehalt muß in den Bereich von 67 bis 80 %, vorwicht beziehen: 15,0 bis 31,0% Zink, 1,0 bis 5,0% zugsweise von 70 bis 76% fallen. Unter 67% sinkt die Aluminium, 0,1 bis 3% Kobalt, Rest 67 bis 80% Festigkeit merklich ab und über 76% trifft man eine Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen. zusätzliche Phase in gesättigten Legierungen an, die als Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Gammaphase bezeichnet wird und eine komplexe Legierung wesentlich verbesserte physikalische Eigen- 60 kubische Struktur hat, welche die Duktilität der Legieschaften bei minimaler Einbuße an Verformbarkeit auf- rung beschränkt.

weist. Beispielsweise hat die verbesserte Legierung In ähnlicher Weise liegt der Zinkgehalt innerhalb des

gemäß der Erfindung Streckgrenzeneigenschaften im Bereichs von 15,0 bis 31,0%) vorzugsweise von 19 bis voll geglühten Zustand in der Größenordnung von 28 %. Der Aluminiumgehalt muß im Bereich von 1,0 31,6 kp/mm² und darüber, während herkömmliche 65 bis 5,0% gehalten werden, vorzugsweise von 2,0 bis Legierungen auf Kupferbasis für die Verwendung als 4,5 %> und der Kobaltgehalt liegt im Bereich von 0,1 Formteile gewöhnlich Streckgrenzenwerte im voll ge- bis 3%, vorzugsweise von 0,1 bis 1,0%. glühten Zustand im Bereich von 7,0 bis 17,5 kp/mm² Zur Erzielung einer maximalen Duktilität bei gleich-

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zeitiger Verformbarkeit bei einem vorgegebenen Kup- Im allgemeinen besitzen die erfindungsgemäßen Lefergehalt sollte der Kobaltgehalt von 0,1 bis 1,0% aus- gierungen ein Gefüge aus Alpha- plus Teilchenphase machen, während zur Erzielung größerer Festigkeit oder Alpha- plus Beta- plus Teilchenphase und sind und geringerer Duktilität das Kobalt höhere Gehalts- in einem breiten Bereich von verschiedenen Gebieten bereich bis zu 3% einnehmen kann. Über diesen 5 anwendbar. Wegen ihrer großen Festigkeit und der Kobaltgehalt hinaus werden die Eigenschaften wenig großen Verformbarkeit werden sie vorzugsweise in geverbessert, da ein Kobaltüberschuß in Form von Par- schmiedeter Form verwendet. Die Oxydationsfestigtikeln des elementaren Metalls oder als elementares keit und Gießbarkeit der Legierungen gemäß der ErKobalt neben einer intermetallischen Verbindung mit findung ist hervorragend und läßt eine breite Anwen-Aluminium erscheint, wobei außerdem die Duktilität io dung als hochfeste preiswerte Gießereilegierungen zu, absinkt. während die hervorragenden Warmverformungseigen-Im allgemeinen sind die Legierungen mit niedrige- schäften sie genausogut zu Schmiedestücken wie zu rem Kobaltgehalt Werkstoffe von großer Festigkeit und Preßlingen geeignet erscheinen lassen. Im allgemeinen hoher Duktilität, während die Legierungen mit einem werden bessere Kombinationen der mechanischen höheren Kobaltgehalt zwar eine höhere Festigkeit, aber 15 Eigenschaften zu niedrigeren Kosten durch die ereine geringere Duktilität besitzen. findungsgemäßen Legierungen erhalten, als sie in Die Zusammensetzung von besonderen Legierungen irgendwelchen gegenwärtig hergestellten Legierungen innerhalb der angegebenen Bereiche wird weiterhin da- ohne Rücksicht auf den Preis erhältlich sind,
durch eingeschränkt, daß bei einer Kupfergehalts- Das Verarbeiten der Legierungen der Erfindung ergrenze von etwa 69 % der Aluminiumgehalt Vorzugs- 20 fordert keine ungewöhnliche Behandlung. Zum Beiweise im Bereich von 1,2 bis 3,2% liegen soll, damit die spiel wird ein Blech wie folgt hergestellt: Schmelzen Eigenschaften der hohen Duktilität zusammen mit der und Gießen werden unter ähnlichen Bedingungen Festigkeit sicher erhalten bleiben, und daß bei einer durchgeführt wie bei Messinglegierungen. Der un-Kupfergehaltsgrenze von etwa 74% der Aluminium- mittelbare Kokillenguß ist besonders geeignet. Das gehalt vorzugsweise im Bereich von 3,0 bis 5,0 % aus 25 Warmwalzen wird leicht bewerkstelligt unter Verwenden gleichen Gründen liegen soll. Anteilige Regulierun- dung gewöhnlicher Verfahren des Messingwalzens. Bei gen des Aluminiumgehalts bei den verschiedenen schneller Abkühlung kann ein nicht im Gleichgewicht Kupferanteilen zwischen den angegebenen Grenzen befindliches Gefüge erhalten werden, welches die Kaltsollten vorzugsweise vorgenommen werden. walzbarkeit beeinträchtigt. Dies kann durch Anlassen Weiter sollte vorzugsweise zur Erzielung der bevor- 30 im Bereich von 538 bis 649 ⁰C überwunden werden, zugten Eigenschaften der Aluminiumgehalt zum Zink- wobei zweckdienliche Gleichgewichtsverhältnisse von gehalt gemäß der folgenden Gleichung in Beziehung Alpha- und Betaphasen erzielt werden,
gesetzt werden: Es wurde bei der Verarbeitung der Legierungen nach ο ι a 1 _ _ Q 29 0/ Zn -I- 9 2 + 1 35 ^^er Erfindung beobachtet, daß sie auf eine Beseitigung ' /0 = > ₃₅ der durch Kaltverarbeiten erzeugten Spannungen durch Die erfindungsgemäßen Legierungen sind in den Anlassen bei niedriger Temperatur ungewöhnlich gut Zeichnungen dargestellt, die isotherme (500⁰C) Aus- ansprechen. Gewöhnlich können Legierungen auf schnitte mit konstantem Kobaltgehalt (0,5 %) des Kupferbasis, die intensiv kaltverarbeitet worden sind, quaternären Phasendiagramms zeigen. eine Streckgrenzenerhöhung bis zu 15% zeigen, wenn F i g. 1 stellt die relative Lage der Legierungen ge- 40 sie bei Temperaturen unter der Rekristallisationstempemäß der Erfindung auf dem ternären Phasendiagramm ratur angelassen werden. Dieser Anstieg ist gewöhnlich dar; auch nur innerhalb eines ziemlich engen Bereichs von F i g. 2 zeigt den schraffierten Ausschnitt der F i g. 1. Anlaßtemperaturen (27 bis 6O⁰C) von praktischer Bein den F i g. 1 und 2 stellt die ausgezogene Linie die deutung. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen Grenze der Alphaphase dar. Die gestrichelte Linie in 45 wurdenStreckgrenzenanstiegevon30bis40%nachdem F i g. 2 stellt die erfindungsgemäßen Legierungen bei Anlassen von Material festgestellt, das eine Kaltwalzkonstantem Gehalt von 0,5% Kobalt dar. Ähnliche reduktion von 50% aufwies. Außerdem geschieht die Diagramme können für andere Kobaltgrenzbereiche Erholung in einem breiteren Temperaturbereich (82 leicht ausgearbeitet werden. bis 110⁰C), wodurch die kommerzielle Anwendbarkeit Das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierungen im 50 erhöht wird. Die Größenordnung der Verbesserung der kaltverarbeiteten und im ausgeglühten Zustand ist Festigkeitseigenschaften wird in den Beispielen aufgeentweder (1) eine Matrix aus feinkörniger, flächen- zeigt.

zentrierter kubischer Alphaphase (gesättigt oder fast Wegen des stabilisierenden Einflusses von Kobalt

gesättigt), oder (2) eine gesättigte Alphaphase plus auf die Gefüge sind die Eigenschaften von bis zur Um-

Betaphase, wobei sowohl das Gefüge (1) als auch das 55 kristallisation angelassenem Material ebenfalls über

Gefüge (2) sehr feine Partikeln einer intermetallischen einen ausgedehnten Temperaturbereich stabil. Zum

Verbindung und/oder einer Ausscheidung durch und Beispiel fiel die Streckgrenze einer typischen Zusam-

durch dispergiert enthält. mensetzung nur von 45 kp/mm² auf 42,2 kp/mm²

Die erfindungsgemäßen Legierungen können zu- nach einstündigem Anlassen bei 371 bzw. 538° C. Die

sätzlich zu den genannten Materialien übliche Ver- 60 Zugfestigkeit bleibt in ähnlicher Weise einheitlich,

unreinigungen enthalten, die normalerweise in handeis- während die Bruchdehnung stetig über den gleichen

üblichen Legierungen auf Kupferbasis vorkommen. Temperaturbereich ansteigt.

Solche Verunreinigungen sind: Blei, Zinn, Phosphor, Ein weiteres besonderes Kennzeichen der erfindungs-Eisen, Mangan, Nickel und Silizium. Um die Ent- gemäßen Legierungen ist eine sehr ausgeprägte Verzinkung in einer korrosiven Umgebung auf einem 65 besserung der Korrosionsbeständigkeit. Die Kupfer-Minimum zu halten, kann ein Zusatz von Arsen, Zink-Messingsorten sind gegenüber Spannungsriß-Phosphor und/oder Antimon in einer Menge von 0,02 korrosion anfällig, wenn sie gewissen korrodierenden bis 0,10% erwünscht sein. Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Anfälligkeit ist dem

Zinkgehalt proportional, und daher werden Legierungen mit mehr als 15 % Zink selten für Anwendungen unter Spannung in korrodierender Umgebung eingesetzt. Es wurde gefunden, daß die durch Kobaltzusatz modifizierten aluminiumhaltigen Messingsorten eine stark verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion besitzen, wenn sie mit den binären Kupfer-Zink-Legierungen verglichen werden. Dieses Verhalten geht aus den folgenden Beispielen hervor. Gekoppelt mit dieser Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrißkorrosion ist ein hoher Grad von allgemeiner Korrosionsbeständigkeit.

Beispiel 1

- Legierungen der unten tabellierten Zusammensetzungen wurden aus Kathodenkupfer, Plattenzink, entweder metallischem Kobalt oder einer Kupfer-Kobalt-Vorlegierung oder einer Aluminium-Kobalt-Vorlegierung und Kugeln aus Aluminiummetall hergestellt. Die Herstellung erfolgte in der nachfolgenden Reihenfolge. Die Kathodenkupferstücke wurden unter Holzkohle geschmolzen, ein Teil oder die Gesamtmenge des gewünschten Aluminiumgehalts zugegeben und eingerührt, Kobalt in Form von Kugeln der Vorlegierung aus Kupfer mit 15 % Kobalt oder der Vorlegierung aus Aluminium mit 30% Kobalt als nächstes zugegeben und die Schmelze auf Temperatur gehalten, bis die vollständige Lösung erfolgte, wonach Zinkstücke zugegeben und eingeführt wurden. Die Schmelze einer Temperatur von etwa 1093° C wurde in eine Gußeisenform gegossen und bis zum Festwerden darin belassen. Die erhaltenen Gußblöcke wurden auf 816 bis 899° C erneut erhitzt und von einer Dicke von 4,445 cm auf 0,762 cm warmgewalzt, wonach die Temperatur etwa

ίο 538 ⁰C betrug. Das Material wurde danach kaltgewalzt bis auf 0,305 cm, bei 538⁰Cl Stunde angelassen und auf 0,076 cm kaltgewalzt. Das Material wurde in der zuletzt erhaltenen, um 50 % reduzierten Dicke bei 0,076 cm und ebenfalls nach dem Anlassen bei ver-

15- .schiedenen Temperaturen untersucht.

Zu Vergleichszwecken wurde ein handelsüblicher 70/30er Messing und eine Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung der gleichen Behandlung unterworfen, mit dem Unterschied, daß das 70/30er Messing zwischen-

ao durch bei 427 statt bei 538° C angelassen wurde.

Die Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt, d. h. die Streckgrenze bei 0,1 % bleibender Dehnung, die Zugfestigkeit und die prozentuale Bruchdehnung sowohl im kaltgewalzten wie im angelassenen Zustand.

	Zusammensetzung	Tabelle	Zug	Bruch	I	1 Stunde bei 53S angelassen	Zug	°C	1 Stunde bei 649° C angelassen	Zug	Bruch
	in Gewichtsprozent	Kaltgewalzt auf 50%	festig keit	deh nung			festig keit	Bruch		festig keit	deh nung
Legie		Streck	kp/mm²	°/o	O Li CWV." grenze	kp/mm²	deh nung	grenze	kp/mm²	%
rung	73,25Cu 3,75Al	grenze	90,89	2,5	kp/mm²	61,16	%	kp/mm²	26,35	35
	0,44 Co 22,6 Zn	kp/mm²			42,18		33	36,20
I	76,9 Cu 4,6 Al	63,62	93,85	2,2		58,70
	0,4 Co 18,1 Zn				39,37*)		35,2
II	69,5 Cu 1,7 Al	69,85	81,20	2,2		50,62
	0,4Co 28,4Zn				30,58*)		34,5
III	73,3 Cu 3,5 Al	61,16	88,68	2,3		55,90			55,90	38
	0,4Co 22,8Zn				34,96*)	58,99	39,5	34,45
IV	. 74,0 Cu 4,0 Al	62,28	91,39	2,1	40,77	62,92	34,5		60,46	32
	1,0 Co 21,0 Zn				43,94	53,43	26	40,27
V	75 Cu 4,3 Al	65,38	89,63	2,0	31,28*)	58,42	37,5		56,66	37,4
	0,2Co 20,5Zn				37,19		37,6	29,95
VI	76 Cu 4,0 Al	65,38	80,14	2,0		45,69
	20Zn				18,98	50,62	57
VII	70 Cu 30 Zn	62,57	62,28	3,5	28,82**)	37,26	39
			15,32**)		50
VIII		52,37

*) Anlassen bei 593⁰C im Zyklus von 17 Stunden während 3 Stunden. **) !Stunde bei 427°C.

Beispiel 2

Zur Demonstration des ungewöhnlich guten Ansprechens auf Anlassen bei niedriger Temperatur wurde Legierung IV aus Beispiel 1 eine Stunde bei 204° C angelassen. Es wurden folgende Eigenschaften gemessen:

Festigkeitseigenschaften
50% Kaltgewalzt

Streckgrenze 62,88 kp/mm²

(0,1 % bleibende Dehnung)

Zugfestigkeit 88,68 kp/mm²

Bruchdehnung 2,3 °/₀

50% Kaltgewalzt + 1 Stunde bei 204 ⁰C
Streckgrenze 94,20 kp/mm²

55

60

Zugfestigkeit 103,55 kp/mm²

Bruchdehnung 1>4%

Beispiel 3

Verschiedene der gemäß Beispiel 1 hergestellten Legierungen wurden auf Verformbarkeit untersucht, wobei zwei übliche Meßverfahren verwendet wurden, d. h. die Grenzverhältnisbestimmung beim Tiefziehen und das Näpfchentiefziehverfahren nach Olsen für die Bestimmung der Tiefziehfähigkeit. Die Resultate zeigen, daß die verbesserten Legierungen gemäß der Erfindung bezüglich der Tiefziehfähigkeit fast an 70/30er Messing herankommen (Vergleichslegierung VIII), und im Näpfchentiefziehversuch bzw. bei der Bestimmung des Grenzziehverhältnisses nur geringfügig weniger verformbar sind als 70/30er Messing.

Tabelle II

Legierung	Grenzziehverhältnis	Olsen- Ausbuchtungshöhe
III IV VIII	2,276 2,270 2,260	0,950 cm 1,016 cm 1,067 cm

Claims

Patentansprüche:

1. Legierung auf der Basis von Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 15,0 bis 31% Zink, 1,0 bis 5,0% Aluminium, 0,1 bis 3,0% Kobalt Rest 67 bis 80% Kupfer und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Gehalte an Aluminium und Zink im Verhältnis entsprechend der Gleichung % Al = —0,29% Zn + 9,2 ~ 1,35 zueinander stehen.

3. Legierung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zinkgehalt 19 bis 28% beträgt.

4. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt 2,0 bis 4,5% beträgt.

5. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kobaltgehalt 0,1 bis 1,0% beträgt.

6. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfergehalt 70 bis 76 % beträgt.

7. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,02 bis 0,10% Arsen, Phosphor und/oder Antimon enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

009 548/198