DE1903712B2 - Verwendung einer kupfer-aluminiumberyllium-legierung zur herstellung von hochkavitationsfesten gegenstaenden - Google Patents
Verwendung einer kupfer-aluminiumberyllium-legierung zur herstellung von hochkavitationsfesten gegenstaendenInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierung
als Werkstoff zur Herstellung von hochkavitationsfesten Gegenständen, wie Schiffsschrauben und Pumpenflügeln sowie als
Schweißstab.
Es ist bekannt, daß die zur Herstellung von Schiffsschrauben, Pumpenflügeln u. dgl. eingesetzten Legierungen
hohe mechanische Festigkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gute
Kavitationsfestigkeit besitzen sollen. Bisher wurden für derartige Zwecke Messingsorten hoher Zugfestigkeit,
Nickel-Aluminium-Bronzen od. dgl. benutzt. Diese Legierungen haben jedoch im praktischen
Einsatz häufig zu Schwierigkeiten geführt, da ihre Eigenschaften, insbesondere ihre Kavitationsfestigkeit,
den Anforderungen nicht gewachsen waren.
Aus der deutschen Patentschrift 730 870 ist es bekannt, ternäre Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierungen
mit einem Berylliumgehalt von 0,2 bis 3%, die sich durch Ausscheidungshärtung verfestigen lassen,
zur Herstellung von gegen Wasserschlagbeanspruchungen beständigen Gegenständen zu verwenden.
Aus der deutschen Patentschrift 712 544 sind ferner
durch Ausscheidung gehärtete Kupferlegierungen, bestehend aus 1,5 bis 3% Beryllium, 0,3 bis 4,5% Kobalt,
Rest Kupfer bekannt, bei denen der 0,4% übersteigende Teil des Berylliums ganz oder teilweise durch
ein anderes Metall, wie Aluminium, ersetzt sein kann. Diese Legierungen, die somit höchstens 2,6% Aluminium
enthalten, werden in geschmiedetem und ausscheidungsgehärtetem Zustand zur Herstellung
von federnden Vorrichtungen verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine zuf Herstellung von hochkavitationsfesten Gegenständen
geeignete Kupferlegierung aufzufinden, die bei günstigen Gieß- und Bearbeitungseigenschaften gute mechanische
Eigenschaften, insbesondere hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung im Gußzustand und
ohne weitere Wärmebehandlung ausgezeichnete Kavitationsfestigkeit aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung einer Kupfer - Aluminium - Beryllium - Gußlegierung
vorgeschlagen, bestehend aus 4,0 bis 10,5%, vorzugsweise 6,0 bis 10% Aluminium (^4) und einem Berylliumgehalt
(B) gemäß der Formel:
B = 0,2 bis 3,0 · (3,16 - 0,28 A)%,
wobei B vorzugsweise 0,2 bis 1,0% und A: B
> 4,4 ist, sowie aus zusätzlich höchstens 0,5% Magnesium und/oder höchstens 2,5% Mangan und/oder höchstens
2,5% Kobalt, Rest Kupfer, als Werkstoff zur Herstellung von hochkavitationsfesten Gegenständen,
mit einem Gewichtsverlust durch Kavitation unter 7 mg/90 min.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die erfmdungsgemäß zu verwendende Kupferlegierung
zusätzlich höchstens 5% Zink enthalten.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein durch Pressen oder Ziehen aus einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierung
der vorstehend genannten Zusammensetzung erzeugter Schweißstab für hochkävitationsfeste Schweißverbindungen und Auftragsschweißungen
an den vorgenannten Gegenständen benutzt.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierungen enthalten jeweils mindestens vier Legierungsbestandteile,
d.h. neben Kupfer, Aluminium und Beryllium noch zusätzlich Magnesium und/oder Mangan und/oder Kobalt in den obengenannten
Höchstgehalten.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierungen weisen außer hohen Zugfestigkeiten von
mehr als 50 kg/mm2 und Bruchdehnungen von mehr als 10% überlegene Kavitationsfestigkeit mit einem
Gewichtsverlust unter 7 mg/90 min auf.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen und Vergleichsversuchen weiter erläutert.
Zum Nachweis der überlegenen Eigenschaften wurde eine erfindungsgemäß zu verwendende Kupferlegierung
mit einem Gehalt von 8,5% Aluminium, 0,83% Beryllium und 0,8% Kobalt, Rest Kupfer, mit
verschiedenen, für gleichartige Zwecke bekannten Metallegierungen hinsichtlich der mechanischen
Eigenschaften und der Kavitationsfestigkeit verglichen.
Als Vergleichsmaterialien wurden eine hochfeste Messingsorte, eine Nickel-Aluminiumbronze und eine
rostfreie Stahlsorte benutzt. Die genaue Zusammensetzung der Vergleichsmaterialien sowie die bei der
Untersuchung ermittelten Werte für die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung, die Härte und die mittels eines
Ma'gnetostriktions-Oszillations-Prüfgerätes ermittelte Kavitationsfestigkeit sind in Tabelle I zusammengestellt.
Wie die in der Tabelle I aufgeführten Zahlenwerte zeigen, besitzt die erfindungsgemäß zu verwendende
Kupferlegierung eine ausgezeichnete Kavitationsfe-
stigkeit. Demgegenüber zeigte der rostfreie Stahl und die Nickel-Aluminiumbronze mehr als das Doppelte
und die hochfeste Messingsorte mehr als das Zehnfache des bei der erfindungsgemäß zu verwendenden
Kupferlegierung eintretenden Gewichtsverlustes durch Kavitation.
| Legierung | Hochfestes Messing | Ni-Al-Bronze | Rostfreier Stahl | Kupfer-Al-Be-Co- Legierung |
| Zusammensetzung, % Kupfer |
Rest 30,18 2,11 0,78 1,10 0,94 54,5 18,8 143 62,6 |
Rest 9,74 4,56 4,24 0,98 62,2 19,3 162 11,8 |
Rest 9,2 0,6 0,1 0,76 19,98 0,012 0,016 51,8 32,0 170 8,2 |
Rest |
| Zink | 8,5 | |||
| Aluminium Eisen |
||||
| Nickel | — | |||
| Mangan Kohlenstoff Silizium Chrom |
0,83 0,8 77 19 175 4,0 |
|||
| Phosphor Schwefel Beryllium Kobalt |
||||
| Zugfestigkeit, kg/mm2 Bruchdehnung, % Härte(#B) Gewichtsverlust durch Kavitation mg/90 min |
Die durchgeführten Versuche ergaben, daß der Berylliumgehalt gemäß der oben angegebenen Formel
auf den Aluminiumgehalt abgestimmt sein muß. Im Bereich niedriger Aluminiumgehalte werden bei einer
Erhöhung des Verhältnisses von Berylliiimgehalt (B)
zu Aluminiumgehalt [A) über eine bestimmte Grenze
Legierungen erhalten, die den erfindungsgemäß zu
Beis
In drei Versuchsreihen wurden die mechanischen Eigenschaften und die Kavitationsfestigkeit von erfindungsgemäß
zu verwendenden Kupferlegierungen mit einem Gehalt an Kobalt bzw. Mangan bzw. Magnesiumermittelt.
Die Zusammensetzung der Verwendeten Legierungen und die ermittelten Werte für die Zugfestigkeit,
die Bruchdehnung und die iCavitationsfestigkeit sind in den Tabellen II, III und IV zusammenverwendenden
Legierungen unterlegen sind. Derartige Legierungen besitzen insbesondere eine unzureichende
Bruchdehnung. Aus diesem Grund wurde durch Angabe eines Grenzwertes für das Gewichtsverhältnis
von Aluminiumgehalt zu Berylliumgehalt eine obere Grenze für den Berylliumgehalt festgelegt.
piel 2 gestellt. Die Eigenschaften von Legierungen mit fünf
Legierungsbestandteilen sind in Tabelle V zusammengestellt. Zum Vergleich ist in der letzten Spalte jeder
Tabelle der Gewichtsverlust durch Kavitation der entsprechenden ternären Cu-Al-Be-Legierung angegeben.
Die Kavitationsfestigkeit ist dabei als Gewichtsverlust in Milligramm angegeben.
| Versuch | Gehalt der Kupferlegierung (%) |
Al | Be | Co | Zugfestigkeit | Bruchdehnung | Kavitation | Kavitation (Co-freie |
| 4,2 | 0,7 | 1,8 | Legierung) | |||||
| 6,0 | 1,0 | 2,2 | (kg/mm2) | (%) | (mg/90 min) | (mg/90 min) | ||
| 2/1 | 6,5 | 0,5 | 2,1 | 57,0 | 26,1 | 7,0 | 8,0 | |
| 2/2 | 7,0 | 1,25 | 1,4 | 62,5 | 21,2 | 6,0 | 6,5 | |
| 2/3 | 7,8 | 0,3 | 1,4 | 62,7 | 26,7 | 6,2 | 6,8 | |
| 2/4 | 7,95 | 1,0 | 1,5 | 78,0 | 18,5 | 5,0 | 5,1 | |
| 2/5 | 9,01 | 0,75 | 0,9 | 79,5 | 17,1 | 3,9 | 5,2 | |
| 2/6 | 9,13 | 0,35 | 1,1 | 79,3 | 13,5 | 3,4 | 4,8 | |
| 2/7 | 10,0 | 0,5 | 0,6 | 80,5 | 14,3 | 3,1 | 4,1 | |
| 2/8 | 10,2 | 0,25 | 0,5 | 76,3 | 15,2 | 3,5 | 4,3 | |
| 2/9 | 65,0 | 29,4 | 4,0 | 4,0 | ||||
| 2/10 | 57,7 | 20,1 | 4,1 | 4,1 |
| Gehalt der Kupferlegierung | Al | Be | Mn | Zugfestigkeit | Bruchdehnung | Kavitation | Kavitation | |
| Versuch | (%) | 4,2 | 0,7 | . 2,0 | (Mn-freie | |||
| 6,0 | 1,0 | 2,4 | (kg/mm2) | (%) | (mg/90 min) | Legierung) | ||
| 6,5 | 0,5 | 2,1 | 53,0 | 34,9 | 7,9 | (mg/90 min) | ||
| 3/1 | 7,0 | 1,25 | 1,4 | 51,7 | 12,1 | 4,6 | 8,0 | |
| 3/2 | 7,8 | 0,3 | 0,9 | 53,6 | 16,6 | 4,8 | 6,5 | |
| 3/3 | 7,95 | 1,0 | 1,0 | 65,7 | 15,3 | 4,3 | 6,8 | |
| 3/4 | 9,0 | 0,75 | 0,9 | 68,5 | 15,8 | 4,1 | 5,1 | |
| 3/5 | 9,13 | 0,35 | 1,3 | 69,0 | 13,4 | 3,3 | 5,2 | |
| 3/6 | 10,0 | 0,5 | 0,5 | 68,3 | 13,6 | 3,36 | 4,8 | |
| 3/7 | 10,2 | 0,25 | 0,9 | 61,2 | 12,0 | 3,8 | 4,1 | |
| 3/8 | 59,1 | 18,3 | 3,75 | 4,3 | ||||
| 3/9 | 53,1 | 12,1 | 3,7 | 4,0 | ||||
| 3/10 | 4,1 |
| Versuch | Gehalt der Kupferlegierung /0/ \ |
Al | Be | Mg | Zugfestigkeit | Bruchdehnung | Kavitation | Kavitation (Mg-freie |
| (%) | 4,2 | 0,7 | 0,41 | Legierung) | ||||
| 6,0 | 1,0 | 0,43 | (kg/mm2) | (%) | (mg/90 min) | (mg/90 min) | ||
| 4/1 | 6,5 | 0,5 | 0,39 | 52,3 | 26,1 | 5,8 | 8,0 | |
| 4/2 | 7,0 | 1,25 | 0,28 | 56,9 | 18,0 | 3,5 | 6,5 | |
| 4/3 | 7,8 | 0,3 | 0,29 | 57,2 | 19,5 | 3,6 | 6,8 | |
| 4/4 | 7,95 | 1,0 | 0,32 | 69,5 | 17,0 | 3,4 | 5,1 | |
| 4/5 | 9,0 | 0,75 | 0,19 | 71,1 | 16,4 | 3,3 | 5,2 | |
| 4/6 | 9,13 | 0,35 | 0,17 | 70,6 | 12,8 | 3,0 | 4,8 | |
| 4/7 | 10,0 | 0,5 | 0,1 | 69,7 | 14,7 | 3,1 | 4,1 | |
| 4/8 | 10,2 | 0,25 | 0,12 | 63,2 | 17,1 | 3,5 | 4,3 | |
| 4/9 | 59,0 | 20,1 | 3,2 | 4,0 | ||||
| 4/10 | 52,7 | 14,0 | 3,4 | 4,1 |
| r | 5/1 | Al | Gehalt der Kupferlegierung | (%) | Co | Mn | Mg | Zn | Zugfestigkeit | Bruchdehnung | Härte | Kavitation | |
| Versuch | 5/2 | 6,3 | 2,3 | 2,0 | — | — | (kg/mm2) | (%) | (Hb) | (mg/90 min) | |||
| 5/3 | 8,5 | Be | 0,8 | — | — | — | 64,7 | 15,1 ■ | 160 | 3,9 | |||
| 5/4 | 8,5 | 0,6 | 0,8 | — | 0,2 | — | 77,0 | 19,0 | 175 | 4,0 | |||
| 5/5 | 9,5 | 0,83 | — | 1,0 | 0,25 | — | 77,5 | 17,2 | 175 | 2$ | |||
| 9,5 | 0,83 | — | — | 0,3 | 3,5 | 60,5 | 15,7 | 170 | 3,2 | ||||
| 0,69 | 59,5 | 24,5 | 160 | 3,5 | |||||||||
| 0,69 |
Die Zahlen werte der Tabellen zeigen, daß die Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierungen
durch den zusätzlichen Gehalt an Kobalt, Mangan oder Magnesium gegenüber entsprechenden
Cu-Al-Be-Legierungen erheblich verbessert werden (vgl. jeweils die letzte Spalte der Tabellen).
Die durch das zusätzlich in eine 7,5% Aluminium und 0,6% Beryllium enthaltende Kupferlegierung eingeführte
Kobalt, Mangan und/oder Magnesium bewirkten Veränderungen der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung
und des durch Kavitation entstehenden Gewichtsverlustes sind in den F i g. 1 bis 4 graphisch
dargestellt.
Wie Fig. 1 zeigt, ergibt die Zugabe von Kobalt eine Verbesserung der Zugfestigkeit und der Kavitationsfestigkeit.
So kann durch Zugabe von 0,8%
Kobalt der durch Kavitation eintretende Gewichtsverlust gegenüber der entsprechenden, kobaltfreien
Kupferlegierung verringert werden, während die Zugfestigkeit gleichzeitig auf 77 kg/mm2 ansteigt.
Wie Fig. 2 zeigt, verbessert eine Zugabe von
Mangan sowohl die Kavitationsfestigkeit als auch die Zugfestigkeit, wobei jedoch die Bruchdehnung
bei Mangangehalten über 2% auf unter 10% abfällt.
Fig. 3 zeigt, daß eine Zugabe von Magnesium ebenfalls die Kavitationsfestigkeit und, bei kleinen
Mengen, auch die Zugfestigkeit verbessert. Bei Magnesiumgehalten von über 0,4% geht die Bruchdehnung
jedoch auf unter 10% zurück.
Wie Fig. 4 zeigt, kann durch einen zusätzlichen Gehalt an Zink die Bruchdehnung stark verbessert
werden, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Kavi-
tationsfestigkeit. Bei einem Zinkgehalt von 1 % wurde eine Bruchdehnung von etwa 38% beobachtet.
Die vorstehend aufgeführten Versuchsergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden
Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierungen, bestehend aus 4 bis 10,5% Aluminium, einen Berylliumgehalt
gemäß der angegebeneu Formel sowie aus zusätzlich bis zu 2,5% Kobalt und/oder bis zu 2,5% Mangan
uad/'oder bis zu 0,5% Magnesium, Rest Kupfer, als
Werkstoff zur Herstellung von hochkavitationsfesten Gegenständen, wie Schiffsschrauben und Pumpenflügeln,
besonders geeignet sind.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierungen
können ferner zur Herstellung von Schweißstäben dienen, die sich hervorragend zur Ver-Stärkung
oder Ausbesserung von durch Kavitation entstandenen Beschädigungen an Schiffsschrauben,
Pumpenflügeln od. dgl. eignen, überlegene Schweißeigenschaften beim Schweißen der erfindungsgemäß
zu verwendenden Legierungen besitzen und sowohl beim TIG-Schweißen als auch beim MIG-Schweißen
gut eingesetzt werden können.
In einem Versuch wurden die mechanischen Eigenschäften
und die K^vitationsfestigkeit von mit Schweißstäben aus den erfindungsgemäß zu verwendenden
Kupferlegierungen erzeugten Schweißungen ermittelt und mit den entsprechenden Werten für
Nickel-Aluminiumbronze und eine erfindungsgemäß zu verwendende Kupferlegierung selbst verglichen.
Dabei ergab die unter Verwendung der erfindungsgemäß zu verwendenden Schweißstäbe erzeugte
Schweißung eine Zugfestigkeit von etwa 80 kg/mm2, eine Bruchdehnung von etwa 18% und einen Gewichtsverlust
durch Kavitation von 2,5 mg/90 min. Demgegenüber betrug der Gewichtsverlust durch Kavi
tation bei der Nickel-Aluminiumbronze 10 mg/90 min
und bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierung im Gußzustand 4,5 mg/90 min.
In einem weiteren Versuch wurde das Verhalten einer durch Kavitation beschädigten und dann unter
Benutzung der erfindungsgemäß ^u verwendenden Schweißstäbe ausgebesserten Schiffsschraube eines
Stromlinienbootes unter Praxisbedingungen beobachtet. Zum Vergleich wurde eine Schiffsschraube
aus Nickel-Aluminiumbronze verwendet und in beiden Fällen der Gewichtsverlust durch Kavitation nach
einer Fahrzeit von 200 Stunden ermittelt. Während bei der mit den erfindungsgemäß zu verwendenden
Schweißstäben ausgebesserten Schiffsschraube keinerlei Anzeichen für eine Beschädigung durch Kavitation
beobachtet wurden, zeigte die Vergleichsschraube einen Gewichtsverlust durch Kavitation von 2,6 g.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309526/386
Claims (2)
1. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-Gußlegierung,
bestehend aus 4,0 bis 10,5%, vorzugsweise 6,0 bis 10% Aluminium [A), und
einem Berylliumgehalt (B) gemäß der Formel:
B = 0,2 bis 3,0 · (3,16 - 0,28 A) %
IO
wobei B vorzugsweise 0,2 bis 1,0% und A : B > 4,4
ist, sowie aus zusätzlich höchstens 0,5% Magnesium und/oder höchstens 2,5% Mangan und/oder
höchstens 2,5% Kobalt, Rest Kupfer, als Werkstoff zur Herstellung von hochkavitationsfesten Gegenständen,
wie Schiffsschrauben und Pumpenflügeln, mit einem Gewichtsverlust durch Kavitation unter
7 mg/90 min.
2. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-Gußlegierung nach Anspruch 1 mit einem
zusätzlichen Gehalt von höchstens 5% Zink für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
(^Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierung
der Zusammensetzung nach Anspruch 1 als gepreßter und gezogener Schweißstab
für hochkävitationsfeste Schweißverbindungen und Aultragsschweiliurige"n~än den nach Anspruch 1
hergestellten Gegenstanden.
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (3)
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|---|---|
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| DE1903712C3 DE1903712C3 (de) | 1974-01-17 |
Family
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Family Applications (1)
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Country Status (5)
| Country | Link |
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Families Citing this family (2)
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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