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Aktenzeichen: Neuanzeldung Kupferlegierung Die Erfindung betrifft
Kupfer-Aluminium-Legierungen rit verbesserter Verschleißfestigkeit.
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Es sind bereits eine Reihe von hypereutektoiden Kupfer-Aluminium-Legierungen
(Aluminiumbronzen) bekannt, welche lls verschleißfeste Materialien vorgeschlagen
wurden.
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Einige dieser Legierungen enthalten geringe engen Eisen zur Verbesserung
der Härte, während andere kleine Mengen an Nickel, Mangan, Vanadium, etc. zur Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften enthalten. Obgleich die bekannten Legierungen sich
für viele Zwecke bewährt haben, besteht noch ein Bedürfnis nach Legierungen irit
noch besserer Verschleißfestigkeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine aluminiumhaltige Kupferlegierung
vorzuschlagen, welche verbesserte Verschleißfestigkeit besitzt und gleichzeitig
grosse Härte und Duktilität aufweist.
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Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend eine hochverschleißfeste
Kupferlegierung, welche gekennzeichnet ist durch einen Aluminiumgehlot A zwischen
6,0 und 15,0
Gewichtsprozent, einen Berylliumgehalt B zwischen 0,2
und 2,0 Gewichtsprozent, einen Siliciumgehalt C zwischon 0,5 und 3,5 Gewichtsprozent,
wobei die Zahlenwerte von A, B und C in Gewichtsprozent der Formel t A + 1,8 B +
1,5 C - 9 bis 18 Gewichtsprozent genügen und der Rest der Legierung aus Kupfer und
höchstens 1,5 Gewichtsprozent anderen Elementen besteht.
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Für bestimmte Zwecke besonders geeignete Kupferlegierungen besitzen
einen Aluminiumgehalt A zwischen 8,0 und 14,0 Gewichsprozent, einen Berylliumgehalt
B zwisehen 0,3 und 1,0 Gewichtsprozent und einen Siliciumgehalt zwischen 0,6 und
2,8 Gewichtsprozent, wobei die Zahlenwerte von A, B und C der Formel: A + 1,8 13
+ 1,5 C a 13 bis 16,5 Gewichtsprozent genügen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform können die erfindungsgemässen
Kupferlegierungen zusätzliche noch bis zu 2,5 Gewichtsprozent Kobalt und/oder bis
zu 5,0 Gewichtsprozent Zink und/oder bis zu 5,0 Gewichstsprozent Zink und/oder bis
zu 5,0 Gewichtsprozent Mangan und/oder bis zu 3,0 Gewichtsprozent Eisen und/oder
bis zu 0,3 Gewichtsprozent Zirkon enthalten. Sofern mehrere dieser Elemente gleichzeitig
anwesend sind, müsen deren Gehalte so aufeinander abgestimmt werden, dass die vorteilhaftten
Eigenschaften der Kupfer-Aluminium-Beryllium-Silicium-Legierung nicht in unverwünschter
Weise beeingträchtigt werden.
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Die erfindungsgemässe Kupferlegierung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Aluminiumgehalt bis zu einbem relativ niedrigen Wert im hypocutektoiden Bereich
verringert wer
den kann, wodurch ohne Aufgabe der ausgezeichneten
Verschleißfestigkeit eine relativ hohe Bruchdehnung erzielt wird. Diese Kupferlegierungen
eignen sich daher hervorragend als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Formen und
Walzen für das Tiefziehen, Biegen und Walzen von rostfreiem Stahl , Flußstahl ,
Nickellegierungen, Zinklegierungen , Aluminiumlegierungen Kunststoffen, etc.. Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Kupferlegierungen liegt in der Verwendung
für Schweißstäbe, deren Schweißgut überlegene Verschleißfestigkeit aufweist. Die
Härte der Legierungen kann durch entsprechende Abstimmung der Legierungskon:ponenten
in einem Bereich zwischen der Härte herkönnilicher Nickel-Aluminium-Bronzen und
einer Härte (HB) von etwa 400 zweckentsprechend eingestellt werden.
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In den erfindungsgemässen Kupferlegierungen wird durch die Zusätze
an Beryllium und Silicium der α-Phasenbereich in Kupfer-Aluminium-System verkleinert
und die Ausscheidungsgeschwindigkeit erhöht. Durch das Beryllium, wird die lamellare
Zutektoidstruktur in eine nadelige Struktur überführt und die Struktur verfeinert.
Silicium verfeinert die Matrixstruktur und führt zu feineren und kugelförmigen Ausscheidungen.
Beide Elemente führen zu einer starken Verbesseruna der Verscileißfestigkeit der
Kupferlegierung. Bei Alu:iniur.gehlten unterhalb von Gewichtsprozent wurden keine
Ausscheidungen beobachtet während Aluminiumgehalte über 15 Gewichtsprozent zu sehr
viel stärkeren und gröberen Ausscheidungen führen, die eine erhebliche Abnahme der
Festigkeit verursachen. Bei Beryllium gehalten unter 0,2 Gewichtsprozent wird die
für die erfindungsgemässen Kupferlegierungen charakteristische n@delige Struktur
nicht gebildet und es tritt Auch keine Verbesserung der Verschleißfestigkeit ein.
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Bei Berylliumgehalten von silber 2,0 Gewichtsprozent tritt ebenso
, wie bei Aluminiumgehalten über 15,0 Gewichtsprozent eine erhebliche Abnahme der
Festigkeit auf. Bei Siliciumgehalten unter 0,5 Gewichtsprozent sind die Ausscheidungen
weder kugelförmig, noch fein genug, während bei Siliciumgehalten über 3,5 Gewichtsprozent
die unerwünschte X-Phase des Kupfer-Silicium-Systems auftritt.
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Die erfindungsgemässen Kupferlegierungen besitzen grosse Härte, überlegene
Verschleißfestigkeit und können trotz ihrer Härte eine bemerkenswerte Duktilität
aufweisen.
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So besitzt beispielsweise eine Kupferlegierung dieser Art eine Härte
(HB) von 345, eine Zugfestigkeit von 55,2 kg/mm2 und eine Bruchdehnung von os6X,
während eine andere erfindungsgemässe Kupferlegierung eine Härte (HB) von 300, eine
Zugfestigkeit von 51,6 kg/mm2 und eine Bruchdehnung von 4,5 aufweist Die überlegene
Verschleißfestigkeit dieser Legierungen beruht offenbar auf der sehr feinen, nddeligen
Matrixstruktur und den feiten, kugelförmigen Ausscheidungen.
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Die erfindungsgemässen Kupferlegierungen können ein oder mehrere zusätzliche
Elemente aus der Gruppe Kobalt, Zinn, Zink, Mangan, Eisen und Zirkon enthalten.
Durch geringe Mengen Kobalt wird die Zugfestigkeit der Legierung verbessert. Kobaltgehalte
von mehr als 2,5 Gewichtsprozent beeinträchtigen Jedoch die Härte. Durch eine Zugabe
von Zinn kann die Verschleißfestigkeit verbessert und erforderlichenfalls ein Teil
des Siliciums ersetzt werden.
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Zinngehalte von mehr als 5,0 Gewichtsprozent beeinträchtigen jedoch
die Verschleißfestigkeit.
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Ein Zusatz von Zink verbessert die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung
, jedoch wird bei Zinkgehalten von mehr als 5,0 Gewichtsprozent die Bruchdehnung
stark verringert.
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Mangangehalte von bis zu 510 Gewichtsprozent verbessern die Zugfestigkeit
, während grössere Gehalte die Zugfestigkeit beeinträchtigen.
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Durch Zugabe von Eisen wird die Korngrösse verringert, jedoch beeinträchtigen
Eisengehalte von mehr als 3,0 Gewichtsprozent die Verschleißfestigkeit.
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Kleine Mengen Zirkon führen ebenfalls zu einer Verringerung der Korngrösse,
jedoch bleibt bei Zugaben von mehr als 0,3 Oewichtsprozent Zirkon der Effekt unverändert.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen weiter erläutert.
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Beispiel 1: In einer Versuchsreihe wurden mehrere Kupfer-Aluminium-Beryllium-Silicium-Legierungen
hergestellt und auf ihre Härte (HB) untersucht. Die Zusammensetzung der Legierungen
und die gemessenen Härtewerte sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.
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Zum Nachweis der überlegenen Verschleißfestigkeit der erfindungsgemässen
Legierungen wurden die in Tabelle I aufgeführten Legierungen A und 3 mit einer herkommlichen
Kupfer-Alumlnium-Legierung mit einem Gehalt von 13,94 Gewichtsprozent Aluminium
, 4,60 Gewichtsprozent Eisen, weniger als 0,5 Gewichtsprozent Verunreinigungen,
Rest Kupfer und einer Härte (HB) 3.000 von 325 verglichen. Zur Durchführung dieses
Vergleichsversuches wurde ein zy1indrisches Probestück aus rostfreiem Stahl (18-8)
einer Gleitbewegung gegen Probestücken der zu prüfenden Kupferlegierung unterworfen
und dla Verschleißbreite der Kontaktfläche in mm gemessen.
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Tabelle I Legierung Zusammensetzung Al Be Si Andere Cu (HB) Gew. Gew.%
Gew.% Gew. 3.000 kg A 6,5 1,6 1,3 <1,5 Rest 250 B 8,1 o,8 2,8 <1,5 Rest 31o
c 12,4 0,3 0,6 <1,5 Rest 340 D 14,0 0,4 1,1 <1,5 Rest 365 Die Gleitgeschwindigkeit
betrug 0,91 m/sec. und die Kontaktstrecke 100 m. Die Ergebnisse dieser Versuche
sind in der beigefügten Figur graphisch dargestellt. Hieraus ist klar zu er sehen,
dass die erfindungsgemässen Kupferlegierungen gegenüber der herkömmlochen Kupfer-Aluminium-Eisen,
-Legierung eine erheblich verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen.
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Beispiel 2: In einer Versuchsreihe wurde eine Kupferlegierung mit
einem Aluminium-Gehalt von 8,2 Gewichtsprozent, einem Berylliumgehalt von 0,79 Gewichtsprozent
und einem Siliciumgehalt von 2,3 Gewichtsprozent mit ähnlich zusammengesetzten Kupferlegierungen
verglichen, die zusätzlich nooh ein Gewichtsprozent Kobalt oder zwei Gewichtsprozent
Zinn oder 2,5 Gewichtsprozent Zink oder 2,5 Gewichtsprozent Mangan enthielten. Die
Zusammensetzung der verwendeten Legierungen und die an diesen gemessenen Zahlenwerte
ful' die Zugfestigkeit bzw. die Härte (HB) sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.
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Tabelle II Legierung Zusammensetzung Rest: Härte Zugfestig Cu keit
AL Be Si Zusatz Cu (HB) keit Ande- kg/mm2 re E 8,2 0,79 2,3 - <1,5 320 55,3 F
8,3 0,78 2,2 1 Co <1,5 - 60,5 G 8,2 0,78 2,2 2 Sn <1,5 350 H 8,1 0,81 2,25
2,5 Zn <1,5 - 58,2 I 8,2 0,81 2,2 2,5 Mn < 1,5 - 59,1 Die aufgeführten Zahlenwerte
zeigen, dass die Kupferlegierungen mit geringen Gehalten an Kobalt, Zink oder Mangan
merklich verbesserte Zugfestigkeiten und die zinnhaltige Kupferlegierung eine erheblich
höhere Härte aufweisen.