DE1903712A1 - Kupferlegierung mit verbesserter Kavitations-Erosionsfestigkeit - Google Patents

Kupferlegierung mit verbesserter Kavitations-Erosionsfestigkeit

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DE1903712A1 DE19691903712 DE1903712A DE1903712A1 DE 1903712 A1 DE1903712 A1 DE 1903712A1 DE 19691903712 DE19691903712 DE 19691903712 DE 1903712 A DE1903712 A DE 1903712A DE 1903712 A1 DE1903712 A1 DE 1903712A1
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsge?;ssen Kupferlegierungen weisen ausser hollin Zugfestigkeiten von mehr als 50 kg/mm² und Bruchdehnungen von mehr als 10# überlegene Kavitations-Korrosionsfestigkeit auf.
  • Im folgenden wird die Erfindung an und von Beispielen und Vergleichsversuchen weiter erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die verwendeten Legierungen wiesen Aluminiumgehalte zwischen O und 15 Gewichtsprozent und Berylliumgehalte zwischen 0 u 4 Gewichtsprozent auf und bestanden im übrigen aus Kupfer.
  • 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.
  • 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.
  • Legierungen mit der erfindungsgemäss definierten Zusammenscfr zung besitzen darüber hinaus im Vergleich zu den für Schiffsschrauben üblichen Materialien überlegene mechanische Eigenschaften.
  • 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.
  • Tebnllo II Verauch Gcholt der Zugfostig- Bruch- Cowichts-Kupferlegierung keit debnung Verlust d.
  • Kavitationserosion Al Be Gew.% Gew.% kg/mm² % mg/90min.
  • 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.
  • Die durch die flerylilumzugabe erzeugten, vorgenannten Effekte werden mit wachsendem Aluminiumgehalt sehr bedeutend. Dementsprechend muss der zugegebene Berylliumgehalt mit steigendem Aluminiumgehalt verringert werden.
  • 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.
  • 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.
  • Tabelle III Versuch Gehalt der Zugfestig- Bruch- Relativer Kupferlegierung keit dehnung Gewichts-Al Be Zusatz Verlust d.
  • ############ 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kobaltgehalte von mehr als 0,8 Gewichtsprozent führen jedoch zu einem Abfallen der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung.
  • Bei Kobaltgehalten von mehr als 2 sinkt die Bruchdehnung unter 10 ab.
  • 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%.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

P a t e n t a n s p r ü c h e
1.) Kupferlegiorung mit verbesserter kavitations-Erosionsfestigkeit, gekonnzeichnet durch einen Aluminlumgchalt A zwischen 4,0 und 10,5 Gewichtsprozent und einen Berylliumgchalt B gemäss der Formel: B = 0,2 bis 3,0. (3,16 - 0,28 A) (1) wobe@: izt.
2.) Kupferlegierung nach Auspruch 1, gekennzeichnet durch einen aluminiumgchalt zwischen 6,0 und 10,0 Gewichtsprozent, einen Berylliumgchelt zwischen 0,2 und 1,0 Gewichtsprozent, eine Zugfestigkeit von über 55 kg/mm², eine Bruchdchnung von über 15% und einen Gewichtsverlust durch Kavitations-Erosion von untor 7 mg/90 mim.
3.) Kupferlegierung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gchalt von höchstens 2,5 Gewichtsprozent Kobalt und/oder höchstons 5,0 Gewichtsprozent Zink unjd/oder hßchstens 2,5 Gewichtsprozent Mangan und/oder höchatens 0,5 Gewichtsprozent Magnesium.
4.) Schweißstab aus einer Kupferlegierung gemäß Anspruch 1 bis 3.
L e e r s e i t e
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