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Aktenzeichen: Neu@nmeldung Kupferlegierung nit verbesserter Kavitations-Erosionsfestigkeit
Die Erfindung betrifft neue, @luminiumhaltige Kupferlegierungen mit verbesserter
Kavitations-Erosionsfestigkeit und vorteilhaften Gieß- und Be@rbeitungseigenschaften,
die insbesondere zur Herstellung von Schiffsschrjuben und Pumpenflügeln sowie Schweißstäben
geeignet sind.
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Es ist bekannt, daß die zur Herstellung von Schiffsschrauben , Pumpenflügeln
und dergleichen eingesetzten Legierungen hohe mechanische Festigkeit und hervorragende
Korrosionsbeständigkeit k insbesondere gute Kavitations-Erosionsfestigkeit besitzen
sollen. Bisher wurden für derartige Zwecke Nessingsorten hoher Zugfestigkeit Nickel-iluminiurl-Bronzen
oder dergleichen benutzt. Diese Legierungen hoben jedoch in prtktischen Einsatz
häufig zu Schwierigkeiten infolge von Beschädigungen durch Kavitttions- erosion
geführt, da ihre Eigenschaften, insbesondere ihre Kavitations-Erosionsfestigkeit
den hnforderungen nicht gewachsen waren.
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Es ist daher aufgabe der erfindung die Nachteile der bekonnten Legierungen
zu beseitigen und eine Kupferlegierung vorzuschlugen, welche günstige Gieß- und
Bearbeitungseigensch@ften, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
insbssondere
h@@e Zugfastigkeit und Bruchdchnung in vergossanem Zustand chne mennenswerte Basinträchtigung
dieser Werte infolge langsamer Abküblung gai grossen Gußstücken, sowie bervorragende
Kavitations-Erosiemsfestigkeit aufwsisen und in diesen Eigenschaften durch geeignate
Wärmebeh@odlung weiter verbessart werden könnan.
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Geganstand dor @@findung ist demantsprechend eine Kupferlogierung
mit varbesserter kavitations-Eresionsfestigkeit, weiche gekennzeichnet ist durch
eine vorwiegand aus Kupfer bestchende Legierung mit einem Aluminiumgchalt A zwischen
4,0 und 10,5 Gewichtsprozout und sinem Berylliumgehalt B gemäss der Formel: B =
(3,16 - 0,28 A) (1) wobei = 0,2 bis 3,0 und aussardem # = 4,4 (2) ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kupferlegierung noch
einen zusätzlichen Gehalt von höchstens 2,5 Gewichtsprosent Kobalt und/oder höchstens
5,0 Gewichtsprozent Zink und/oder höchstens 2,5 Gewichtsprozent Mangan und/oder
höchstens 0,5 Gewichtsprozent Magnesium aufweisen. Mach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein durch Extrudieren, Zichen, Drahtziehen oder dergieichen in
heißen oder kaltem Zustand aus einer Kupferlegierung der vorstehend definierten
Art erzeugter Schweißstab vorgeschlagen.
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Die erfindungsge?;ssen Kupferlegierungen weisen ausser hollin Zugfestigkeiten
von mehr als 50 kg/mm² und Bruchdehnungen von mehr als 10# überlegene Kavitations-Korrosionsfestigkeit
auf.
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Im folgenden wird die Erfindung an und von Beispielen und Vergleichsversuchen
weiter erläutert.
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Beispiel 1: Zum Nachweis der überlegenen Eigenschaften wurde eine
erfindungsgemässe Kupferlegierung mit einem Gehalt von 7,7 Gewichtsprozent Äluminium
und 0,71 Gewichtsprozent Beryllium mit verschiedenen , für gleichartige Zwecke bekannten
Metall-Legierungen hinsichtlich der mechanischen Zigenschaften und der Kavitations-Erosionsfestigkeit
verglichen Als Vergleichsnaterialien wurden eine hochfeste Wessingsorte, eine Aluminium-Bronze
und eine rostfreie Stahlsorte benutzt. Die genaue Zusimmensetzung der Vergleichsmaterialien
sowie die bei der Untersuchung ermittelten Werte für die Zugfestigkeit , die Bruchdehnung
, die Härte und die mittel 5 eines Magnetostriktions-Oszillations-Prüfgeräts ermittelte
Kavitations-Erosionsfestigkeit sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt.
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Wie die in der Tabelle aufgeführten Zahlenwerte zeigen, besitzt die
erffrdungsgemässe Kupferlegierung eine ausgezeichnete Kavitations-Erosionsfestigkeit.
Demgegenüber zeigte der rostfreie Stahl mehr als das Eineinhalbfache die Nickel-Aluminiumbronze
mehr 15 das Doppelte, und die hochfeste messingsorte mehr als das Zehnfache des
bei der erfindungsgemässen Kupferlegierung eintretenden Gewichtsverlustes durch
Kavitations-Erosion.
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Tabelle I Legierung Hoch- Ni - Al- Rost- Kupferfestes Bronze freier
Al - Be-Messing Stahl Legierung Zusammensetzung: Kupfer Gew.% Rest Rest ~~~~ Rest
Zink " " 30,18 Aluminium " " 2,11 9,74 7,7 Eisen " " 0,78 4,56 Rest Nickel " lt
1,10 4,24 9,2 ~~~~ Mangan " " 0,94 0,98 0,6 Kohlenstoff " " 0,1 Silizium " " 0,76
Chrom " " 19,98 Phosphor " " 0,012 Schwefel lt lt ~~~~ ~~~~ 0,016 ~~~~ Beryllium
" " 0,71 Zugfestigkeit kg/mm² 54,5 62,2 51,8 63,5 Bruchdehnung % 18,8 19,3 32,0
21,5 härte (HB) 143 162 170 163 Gewichtsverlust durch kavitationserosion mg/90 min.
62,6 11,8 8,2 5,4 Verhältnis #12 #2,2 #1,5 1
Beispiel 2 In einer
Versuchsreihe wurden die mechanischen EigenschaCt« und die Kavitations-Erosionsfestigkeit
einer Reihe von ternären Kupfer-Aluminium-Beryll ium-Legierungen untersucht.
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Die verwendeten Legierungen wiesen Aluminiumgehalte zwischen O und
15 Gewichtsprozent und Berylliumgehalte zwischen 0 u 4 Gewichtsprozent auf und bestanden
im übrigen aus Kupfer.
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Die Aluminium-und Berylliumgehalte der Legierungen , sowie die ermittelten
Werte für die Zugfestigkeit , die Bruchdehnung und den Gewichtsverlust durch Kavitations-Erosion
sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt. Die Gewichtsverluste durch Kavitations-Erosion
wurden mittels eines agnetostriktions-Oszillations-Prüfgerätes mit einer Oszillation
von 6 KG/sec. gemessen und in mg/90 min. angegeben.
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Die Zahlenwerte der Tabelle zeigen, dass die Kavitations-Erosionsfestigkeit
mit zunehmendem Aluminiumgehalt verbessert wird, sofern das Verhältnis zwischen
den Beryllium-und Aluminiumgehalten der erwähnten Formel (l)entspricht.
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Legierungen mit der erfindungsgemäss definierten Zusammenscfr zung
besitzen darüber hinaus im Vergleich zu den für Schiffsschrauben üblichen Materialien
überlegene mechanische Eigenschaften.
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Legierungen mit einem Aluminiumgehalt von unter 4 Gewichtsprozent
besitzen unabhängig vom Berylliumgehalt nicht die zur Erfüllung der Anforderungen
an die mechanischen Eigenschaften im praktischen Einsetz gewünschte Zugfestigkeit
von über 50 kg/mm². Auch die Legierungen mit einem Gebalt von mehr als 10,5 Gewichtsprozent
Aluminium weisen nicht diese Zugfestigkeit und darüber hinaus keine Bruchdehnung
von mehr als 10% auf. Der Aluminiumgehalt der erfindungsgemässen Kupferlegierungen
soll daher zwischen 4 und 10,5 Gewichtsprozent liegen.
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Tebnllo II Verauch Gcholt der Zugfostig- Bruch- Cowichts-Kupferlegierung
keit debnung Verlust d.
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Kavitationserosion Al Be Gew.% Gew.% kg/mm² % mg/90min.
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a 3,8 0,5 40,1 45,1 8,3 2/1 4,2 0,7 50,5 43,5 8,0 2/2 5,2 0,5 51,2
39,2 7,5 B 5,9 0,15 47,5 40,3 9,9 2/3 6,0 1,0 55,1 25,0 6,5 C 6,0 2,0 56,0 7,9 6,1
2/4 6,5 0,5 55,3 50,1 6,8 2/5 7,0 12,5 65,1 20,4 5,1 2/6 7,10 0,25 60,1 23,0 5,3
2/7 7,80 0,3 66,5 19,2 5,2 2/8 7,95 1,0 66,1 15,0 4,8 2/9 8,02 1,60 67,3 10,5 3,9
2/10 8,72 0,88 66,0 17,3 4,1 2/11 9,0 0,75 65,1 16,4 4,1 D 9,1 2,0 60,3 5,7 4,0
2/12 9,13 0,35 60,1 17,1 4,3 2/13 9,38 1,10 63,1 10,1 4,0 2/14 9,69 0,75 60,9 14,3
4,0 2/15 9,9 0,26 57,7 20,8 4,2 2/16 10,0 0,5 56,3 20,1 4,0 E 10,1 1,5 55,3 1,3
4,8 2/17 10,2 0,25 50,2 14,0 4,1 2/18 10,4 0,20 50,2 13,7 4,1 F 10,8 0,1 48,7 9,1
4,2
Das Beryllium verbessert die mechanischen Eigenschaften der
binären Kupfer-Aluminium-Legierung. Die erfindungsgemäss durchgeführten Versuche
ergaben darüber hinaus , dass der Berylliumzusatz bei Einhaltung des vorstehend
genannten Bereiches für den Aluminiumgehalt a) eine Verstärkung der Kupfer-Alpha-Phase
bewirkt, b) hinsichtlich der binären Kupfer-Aluminium-Legierung die larnellar-eutektoide
Struktur in eine nadelige Struktur umwandelt und c) den Eutektoidpunkt zur Seite
äusserst niedriger Aluminium -gehalte verschiebt und die Geschwindigkeit der Eutektoid-Transforation
einer binären Kupfer-Aluminium-Legierung stark verzögert.
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Die durch die flerylilumzugabe erzeugten, vorgenannten Effekte werden
mit wachsendem Aluminiumgehalt sehr bedeutend. Dementsprechend muss der zugegebene
Berylliumgehalt mit steigendem Aluminiumgehalt verringert werden.
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Die durchgeführten Versuche ergaben, dass der Berylliumgehalt gemäss
Formel (1) auf den Aluminiumgehalt abgestimmt sein soll. Im Bereich niedriger Aluminiurngebalte
werden bei einer Erhöhung des Verhältnisses von Berylliumgehalt zu Alurniniumgehalt
über eine bestimmte Grenze Legierungen erhalten, die sich von einer binären Kupfer-Aluminium-Legierung
wesentlich unterscheiden und den erfindungsgemässen Legierungen unterlegen sind.
Derartige Legierungen besitzen insbesondere eine unzureichende Bruchdehnung, die
dies durch die in Tabelle II aufgeführten Vergleichslegierungen C , D, E und F demonstriert
wird. Aus diesem Grund aus durch Angabe eines Grenzwertes für das Gewichtsverhältnis
von Aluminiumgehalt zu Berylliumgehalt eine der Formel (2) entsprechende obere Grenze
für den Berylliumgehalt festgelegt werden.
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Beispiel 3: In einer Versuchsreihe wurden die mechanischen Eigenschaften
und die Kavitations-Erosionsfestigkeit von erfindungsgemässen Kupferlegierungen
mit zusätzlichem Gehalt an Kobalt, Zink, Mangan oder Magnesium ermittelt. Die Zusammensetzung
der ver -wendeten Legierungen und die ermittelten Werte für die Zugfestigkeit; die
Bruchdehnung und die Kavitations-Erosionsfestigkeit sind in Tabelle III zusammengestellt.
Die Kavitatio s-Erosionsfestigkeit ist dabei als dds Gewichtsverlustverhältnis bezogen
auf die entsprechende , nur aus Kupfer, Aluminium und Beryllium bestehende Legierung
, angegeben.
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Tabelle III Versuch Gehalt der Zugfestig- Bruch- Relativer Kupferlegierung
keit dehnung Gewichts-Al Be Zusatz Verlust d.
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############ Gew.% Gew.% Gew.% kg/mm² % erosion * 8,5 0,83 0,8 Co
77 19 0,74 3/2 8, O 0,75 2 Zn 60 38 1,15 3/3 8,o o,8 0,2 Mn 62 17 1,00 3/4 8,0 0,75
0,1 Mg 64 20 0,84 * bezogen auf eine nur aus Cu, Al und Be bestehende Legierung
= 1 Die Zahlenwerte der Tabelle III zeigen, dass die Eigenschaften der erfindungsgemässen
Kupferlegierungen durch Zusatz geringer Mengen Kobalt, Zink, Mangan oder Magnesium
noch erheblich verbessert werden können.
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Die durch das zusiätzlich in die Legierung eingeführte Element bewirkten
Veränderungen der Zugfestigkeit , der Bruchdehnung und des durch Korrosion-Erosion
entstehenden Gewichtsverluste
sind in den Figuren 1 bis 4 der beigefügten
Zeichnungen grafisch dargestellt.
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Wie Figur 1 zeigt, führt eine Zugabe von Kobalt zu einer weiteren
Verbesserung der Zugfestigkeit und der Kavitations-Erosionsfestigkeit. So kann durch
Zugabe von 0,8 Gewichtsprozent Kobalt der durch Kavitations-Erosion eintretende
Gewichtsverlust gegenüber der entsprechenden, kobaltfreien Kupferlegierung auf 74%
verringert werden, während die Zugfestigkeit gleichzeitig auf 77 kg/mm² ansteigt.
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Kobaltgehalte von mehr als 0,8 Gewichtsprozent führen jedoch zu einem
Abfallen der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung.
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Bei Kobaltgehalten von mehr als 2 sinkt die Bruchdehnung unter 10
ab.
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Wie Figur 2 zeigt, wird durch die Zugabe von Zink die Bruchdehnung
stark verbessert. Bei einem Zinkgehalt von 1 Gewichtsprozent wurde eine Bruchdehnung
von etwa 38 beobachtet. Bei Zugabe von mehr als 1 Gewichtsprozent Zink geht die
Bruchdehnung jedoch wieder zurück und fällt bei Zinkgehalten über 4 Gewichtsprozent
unter 10%.
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Wie Figur 3 zeigt, verbessert eine Zugabe von Mangan sowohl die Kavitations-Erosionsfestigkeit
, als auch die Zugfestigkeit , wobei jedoch die Bruchdehnung bei Mangangehalten
über 2% auf unter 10% abfällt.
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Figur 4 zeigt schliesslich , dass eine Zugabe von Magnesium ebenfalls
die Kavitations-Erosionsfestigkeit und, bei kleinen Mengen, auch die Zugfestigkeit
verbessert. Bei Magnesiumgehalten von über 0,4% geht die Bruchdehnung jedoch auf
unter 10% zurück.
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Die vorstehend aufgeführten Versuchsergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemässen
Kupfer-Aluminiurn-Beryllium-Legierungen neben dem Kupfer 4 bis 10,5 Gewichtsprozent
Aluminium
und einen Berylliumgehalt geräts den Forr-.eln (1) und
(2) sowie gegebenenfalls bis zu 2,5% Kobalt, bis zu 5 Zink, bis zu 2,5% Mangan und
bis zu 0,5% Magnesium enthalten sollen, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften
und eine hohe Korrosions-Jrosionsfestigkeit zu erzielen.
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Die Daten zeigen ferner, dass die erfindungsgemässen Kupferlegierungen
verbesserte Gieß- und Bearbeitungseigenschaften besitzen und sich hervorragend zur
Herstellung von Schiffsschrauben, Pumpenflügeln und dergleichen eifflnen, bei denen
mit einer Beanspruchung durch Klvitition zu rechnen ist.
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Die erfindungsgemassen Kupferlegierungen ergeben ferner verbesserte
Schweißstäbe , welche bei .auskbesserungsarbeiten ein hervorragendes Schweißgut
liefern. Die VerXrbeitung der Kupferlegierungen zu Schweißstäben kann durch Extrudieren,
Ziehen, Drahtziehen oder ähnliche Methoden erfolgen. Derartige Schweißstäbe eignen
sich zur Verstärkung oder kusbesserung von durch Kavitations-Erosion entstandenen
Beschädigungen An Schiffsschrauben , Pumpenflügeln oder dergleichen. Die erfindungsgemässen
Schweißstäbe besitzen dabei überlegene Schweißeigenschaften nicht nur beim Schweißen
der erfindungsgemässen Legierungen, sondern auch beim Verschweißen verschiedenartiger
Materialien und können sowohl beim TIG-Schweißen, als auch bei MIG-Schweißen gut
eingesetzt werden.
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Beispiel 4: In einem Versuch wurden die mechanischen Eigenschaften
und die Kavitations-Erosionsfestigkeit von mit Schweißstäben aus den erfindungsgemässen
Kupferlegierungen erzeugten Schweißungen ermittelt und mit den entsprechenden Werten
für Nickel-Aluminiumbronze und eine erfindungsgemässe Kupferlegierung selbst verglichen.
Die erhaltenen Zahlenwerte sind in Figur 5 grafisch dargestellt. Diese zeigt, dass
die unter Verwendung der erfindungsgemässen Schweißstäbe erzeugte Schweißung eine
Zugfestigkeit von etwa 80 kg/mm,2 und eine Bruchdehnung von etwa 18 aufwies. ueber
diese an sich schon
be: erkenswerten Zahlenwerte hinaus zeigte
die Schweißung eine erheblich verbesserte kavitations-Erosionsfestigkeit, die dem
Vierfachen derjenigen einer Nickel-Alutniniumbronze und dem Doppelten der an der
erfindungsgemässen Kupferle-Legierung in ihrem Zustand " wie gegossen " gemessenen
Kavitations- osionsfestigkeit entsprach.
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Beispiel 5: In einem weiteren Versuch wurde das Verhalten einer durch
Kavitations-Erosion beschädigten und dann unter Verwendung der erfindungsgemässen
Schweißstäbe ausgebesserten Schiffsschraube eines Stronlinienbootes unter Praxisbedingungen
beobchtet. Zum Vergleich wurde eine Schiff sschraube aus Nickel-Aluminium-Bronze
verwendet und in beiden Fällen der Gewichtsverlust durch Kavitations-«,rosion nach
einer Fahrw zeit von 200 Stunden ermittelt. Die Ergebnisse dieses Versuches sind
in Figur 6 grafisch dargestellt. Die Gegenüberstellung zeigt, dass bei der mit den
erfindungsgemässen Schweißstäben ausgebesserten Schiffsschraube keinerlei Anzeichen
für eine Beschädigung durch kavitations-Erosion beobachtet wurden.