DE1903712B2 - Verwendung einer kupfer-aluminiumberyllium-legierung zur herstellung von hochkavitationsfesten gegenstaenden - Google Patents

Verwendung einer kupfer-aluminiumberyllium-legierung zur herstellung von hochkavitationsfesten gegenstaenden

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DE1903712B2 DE19691903712 DE1903712A DE1903712B2 DE 1903712 B2 DE1903712 B2 DE 1903712B2 DE 19691903712 DE19691903712 DE 19691903712 DE 1903712 A DE1903712 A DE 1903712A DE 1903712 B2 DE1903712 B2 DE 1903712B2
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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.
Beispiel 1
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.
Tabelle I
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.
Tabelle II
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
Tabelle III
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
Tabelle IV
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
Tabelle V
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.
Beispiel 3
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.
Beispiel 4
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)

Patentansprüche:
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.
DE19691903712 1968-02-09 1969-01-25 Verwendung einer kupfer-aluminiumberyllium-legierung zur herstellung von hochkavitationsfesten gegenstaenden Granted DE1903712B2 (de)

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