DE1913279B1

DE1913279B1 - Kupfer-Eisen-Legierung

Info

Publication number: DE1913279B1
Application number: DE19691913279
Authority: DE
Inventors: Shintaro Matsuo; Kazuhiko Muto; Syoji Ueda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1968-03-15
Filing date: 1969-03-15
Publication date: 1970-11-12
Also published as: NL6904027A; US3740211A; DE1913279C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupfer-Eisen-Legierung, die sowohl die herstellungstechnischen Vorteile und die Korrosionsbeständigkeit der Kupferlegierungen als auch die Festigkeit von Stählen und deren verhältnismäßig niedrige Herstellungskosten bietet.

Die erfindungsgemäße Kupfer-Eisen-Legierung eignet sich als Baustahl für Maschinen oder Apparate, die beispielsweise in Gegenwart von Seewasser oder Seewasseratmosphäre eingesetzt werden wie beispielsweise Schiffsschrauben. Bislang hat man hierfür Kupferlegierungen mit verhältnismäßig hoher Festigkeit verwendet, deren Festigkeiten etwa hochfestem Messing oder Aluminiumbronze entsprechen. Der Grund hierfür liegt darin, daß es zweifelhaft ist, ob die bekannten rostfreien Stähle in Seewasser verwendet werden können, da ihre Korrosionsbeständigkeit gegenüber Seewasser nicht ausreichend ist, das eine nicht oxydierende Salzlösung darstellt. Häufig unterliegen die rostfreien Stähle dabei einer Lochfraßkorrosion und besitzen eine niedrige Korrosionsbeständigkeit, die zu Rissigkeit führt. Obgleich aus diesen Gründen in Seewasser hauptsächlich Kupferlegierungen verwendet werden, besitzen diese zwei Nachteile; im Vergleich zu Eisenlegierungen sind ihre Herstellungskosten merklich höher und ihre Festigkeiten geringer. Aus diesem Grunde ist bereits versucht worden, hochfeste Stähle zu verwenden und diese katodisch gegen Korrosion zu schützen. Dies ist jedoch bei Maschinen und Apparaten nicht in allen Fällen möglich, dahierbei zusätzlich eine Korrosionsschutzvorrichtung erforderlich ist. Außerdem sind die bekannten Stähle wegen ihres hohen Schmelzpunktes und ihrer hohen Härte nur schwer verformbar und bearbeitbar.

Bekannt ist aus der französischen Patentschrift 803175 auch eine austenitische Chrom-Mangan-Stahl-Legierung mit bis 1% Kohlenstoff, 6 bis 40% Chrom, 4 bis 40% Mangan und 0,5 bis 10% eines oder mehrerer der Elemente Silizium, Titan, Vanadin, Molybdän, Aluminium, Wolfram, Tantal und Niob. Außerdem kann die Legierung noch einzeln oder nebeneinander 0,5 bis 4% Nickel, 0,2 bis 10% Kobalt und 0,3 bis 15% Kupfer enthalten. Die bekannte Legierung dient als Werkstoff für Gegenstände, die einer hohen Belastung, insbesondere einer hohen dynamischen Belastung bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen unterworfen sind und beständig gegen interkristalline Korrosion, Versprödung und Last- sowie Temperaturwechsel sein müssen. Über das Verhalten dieser Legierung in Seewasser oder maritimer Atmosphäre ist dagegen nichts bekannt.

. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine Kupfer-Eisen-Legierung zu schaffen, die die Vorteile der bekannten Kupferlegierungen hinsichtlich ihrer Herstellung und Korrosionsbeständigkeit mit den hohen Festigkeiten und geringen Werkstoffkosten bekannter Stähle in sich vereinigt. Das heißt, die erfindungsgemäße Legierung soll nach Verfahren herstellbar sein, nach denen auch übliche Kupferlegierungen hergestellt werden. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungen soll ein katodischer Schutz nicht erforderlich sein; außerdem soll ihre Festigkeit weitaus höher sein als die üblicher Kupferlegierungen. Schließlich soll sich die erfindungsgemäße Kupfer-Eisen-Legierung auch als Werkstoff für Schiffsschrauben, Impeller, Wasserturbinen, Kondensatorröhren und -bleche od. dgl. eignen.

Die erfindungsgemäße Legierung enthält neben ihren Hauptbestandteilen Kupfer und Eisen noch Nickel, Mangan und Chrom. Bei einfachen binären Kupfer-Eisen-Legierungen ist eine feste Lösung größerer Mengen Kupfer nicht möglich, da die Löslichkeit des Kupfers im Ferrit gering ist. Das austenitische Eisen ist jedoch, wenn es Nickel und Mangan in bestimmten Mengen enthält, in der Lage, eine große Menge an Kupfer zu lösen. Andererseits scheidet bei

ίο der Zugabe von Eisen zu reinem Alpha-Kupfer, das ebenso wie die Austenit-Phase der Kupferseite des binären Systems Kupfer—Eisen kubisch-flächenzentriert ist, oberhalb von 2,8% Eisen als Primärkristall aus, so daß auch in diesem Falle eine feste Lösung nicht möglich ist. Die kupferreiche Phase der Nickel und Mangan in bestimmten Mengen enthaltenden Kupferlegierung ist dagegen in der Lage, eine große Menge Eisen zu lösen. Insbesondere sind feste Lösungen sowohl in der Austenit-Phase der eisenreichen Legierung als auch in der Alpha-Phase der kupferreichen Legierung im System Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan bei bestimmten Gehaltsgrenzen für jedes Element möglich. Schließlich enthält die erfindungsgemäße Legierung zur Verbesserung ihrer Korrosionsbeständigkeit Chrom und/oder Aluminium. Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Legierung aus 2 bis 50% Kupfer, 5 bis 20% Nickel, 15 bis 35% Mangan, 0,01 bis 15% Chrom und/oder 0,01 bis 5% Aluminium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Um durch Zugabe von Nickel und Mangan ein austenitisches Eisen zu erhalten und eine ausreichende Löslichkeit des Kupfers in der Austenit-Phase zu ermöglichen, ist ein Nickelgehalt von 5 bis 20% und ein Mangangehalt von 15 bis 35% erforderlich. Der Grund hierfür hegt darin, eine ausreichende Löslichkeit des Kupfers in der Austenit-Phase und eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber nicht oxydierenden wäßrigen Lösungen zu erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In Tabelle I sind die Nominal-Zusammensetzungen mehrerer Kupfer - Eisen - Nickel - Mangan -Aluminium - Legierungen und ihre elektrischen Potentiale in gesättigtem Seewasser gegenüber einer gesättigten Kalomel-Elektrode zusammengestellt.

Tabelle I

Cu	Fe	Ni	Mn	Al	Potential
(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	[V]
48	8	20	22	2	-0,21
44	12	20	22	2	-0,21
36	20	20	22	2	-0,23
26	30	20	22	2	-0,34

Aus Tabelle I ergibt sich, daß die Potentiale der dort aufgeführten Grundlegierungen zwischen —0,2 und —0,35 V in Seewasser bezogen auf eine gesättigte Kalomel-Elektrode liegen, so daß diese Legierungen edler sind als Eisenlegierungen mit einem Potential von —0,7 V. Ein Zusatz von Chrom, das sehr wirksam hinsichtlich der Bildung eines Schutzüberzuges ist, zu der Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan-Grundlegierung verbessert deren Korrosionsbeständigkeit weiterhin. Die bekannten rostfreien Stähle, mit einem Zusatz von Chrom zu einer Grundlegierung mit einem ge-

ringen Potential, wie beispielsweise Stahl, unterliegen dagegen wegen der geringen Korrosionsbeständigkeit des Grundgefüges der Lochfraßkorrosion. Ein Zusatz von Chrom zu einer Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan-Grundlegierung, die eine ausreichende Menge Kupfer enthält, verhindert dagegen die Lochfraßkorrosion und ergibt eine in hohem Maße korrosionsbeständige Legierung. Die für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan-Grundlegierung erforderliche Kupfermenge'liegt bei 2 bis 50%. Aluminium wird zugesetzt, um die Werkstoffdichte zu verringern und einen schützenden überzug durch das Aluminium, ähnlich dem Chrom zu erreichen. Der Aluminiumzusatz ist jedoch auf höchstens 5% begrenzt, da es andernfalls in größerem Maße zur Bildung der Ni₃Al-Phase kommt, die zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Legierung führt. Der Chromgehalt der erfindungsgemäßen Legierung wird im Hinblick auf einen schützenden überzug, die Stabilität der Austenit-Phase, die mechanischen Eigenschaften, das Schmelzverhalten und die Vergießbarkeit auf höchstens 15% begrenzt. Mehr als 15% Chrom würden den Schmelzpunkt der Legierung erhöhen und die Vergießbarkeit beeinträchtigen.

Die Erfindung ermöglicht es, nunmehr dem Kupfergrößere Chrommengen in Hinblick auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Kupfers zuzusetzen, was bislang wegen der Schwierigkeiten insbesondere wegen der Trennung der beiden flüssigen

ίο Phasen nicht möglich war.

In der nachfolgenden Tabelle II sind die Nominal-Zusammensetzungen einiger Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan-Legierungen zusammengestellt, deren mechanische Eigenschaften, soweit sie kein Chrom enthalten, nicht besser sind als übliche Kupferlegierungen. In der Tabelle II sind einer Nickel-Aluminium-Bronze und einem 18/8-Stahl die erfindungsgemäßen Legierungen 1 bis 5 gegenübergestellt. Die mechanischen Eigenschaften wurden an Gußproben ermittelt, die mit einer Geschwindigkeit von 5°C/Min. abgekühlt wurden.

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Tabelle II

Legierung	Cu	Fe	Ni	Mn	Cr	Al	Mo	Zugfestigkeit [kg/mm²]	Dehnung	Härte [HB]	Dauer festigkeit [kg/mm²]
Ni-Al-Bronze	80,4	5,3	4,7	0,2		9,4		67 bis 71	15 bis 25	150 bis 180	25
18/8-Stahl	—	Rest	12	—	18	—	2	52 bis 57	40 bis 60	140 bis 150	30
1	36	20	20	22	—	2	—	70,5	36,2	182	30
2	26	30	20	22	—	2	—	70,2	34,8	182	—
3	30	25	15	15	13	2	—	76,6	36,4	207	42
4	30	20	15	20	13	2	—	86,4	18,0	238	47,5
5	30	24	15	22	7	2	—	72,4	34,4	190	—

Die chromhaltigen Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan- die bei Korrosionsversuchen in Seewasser gewonnen Aluminium-Legierungen der nachfolgenden Tabelle III 40 wurden. Dabei "wurden mit einer Geschwindigkeit von besitzen noch bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, wie die Daten der drei letzten Spalten beweisen,

5°C/Min. abgekühlte Gußproben 6 Monate in Seewasser getaucht.

Tabelle III

	Cu	Fe	Ni	Mn	Cr	Al	Mo	Maximale	Korrosions	Korrosions
Legierung	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	Lochfräßtiefe	geschwindigkeit	ermüdung
	80,4	5,3	4,7	0,2	—	9,4	.	[mm]	(mg/Jahr)	[kg/mm²]
Ni-Al-Bronze	—-	Rest	12	—	18	—	2	0,2	2,3	21
18/8-Stahl	30	25	15	15	13	2	—	1,7	0,6	24
3	30	20	15	20	13	2	—	—	0,02	34
4							—	0,02	40

Die erfindungsgemäße Legierung kann im Niederfrequenzofen erschmolzen werden, wie er üblicherweise auch beim Erschmelzen von Kupferlegierungen verwendet wird, da ihr Schmelzpunkt 1250 bis 1313°C beträgt. Sie läßt sich in Zement-Sand-Formen vergießen, wie sie beim Gießen von Schiffsschrauben üblicherweise verwendet werden. Außerdem ergibt sich ein kleiner Unterschied zwischen der Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung und üblicher Kupferlegierungen; schließlich betragen die Werkstoffkosten nur etwa die Hälfte üblicher Kupferlegierungen. Die erfindungsgemäße Legierung stellt daher einen außerordentlich wertvollen Werkstoff dar.

Die erfindungsgemäße Legierung kann auch als Werkstoff für Maschinenteile dienen, die wie durch plastische Verformung, Schmieden und Walzen hergestellte Kondensatorrohre eine hohe Korrosionsbeständigkeit besitzen müssen. Die Legierung kann nicht nur die üblichen Verunreinigungen, wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und andere Elemente, sondern auch stabilisierende Karbidbildner, wie Titan, Bor und Niob, sowie Nitridbildner, beispielsweise Titan, Zirkonium und Vanadin, enthalten. Die Höchstgehalte an Titan, Bor, Niob, Zirkonium und Vanadin sind jedoch auf jeweils 0,1% begrenzt. Obgleich die. erfindungsgemäße Legierung auch Mo-

lybdän und Kobalt zui. Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften' und ihrer Korrosionsbeständigkeit enthalten kann, sollten deren Höchstgehalte im Hinblick auf das gewünschte Gefüge und die Werkstoffkosten je 5% nicht übersteigen. Niedrigschmelzende Elemente, wie Zink, Zinn, Blei, die üblicherweise im Kupfer enthalten sind, können ebenfalls bis maximal 3% zugesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Kupfer-Eisen-Legierung, bestehend aus 0,01 bis 15% Chrom, 2 bis 50% Kupfer, 5 bis 20% Nickel, 15 bis 35% Mangan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0,01 bis 5% Aluminium enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch jeweils bis 0,1 % Titan, Bor, Niob, Zirkonium und Vanadin, einzeln oder nebeneinander enthält.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch bis 5% Molybdän und/oder Kobalt enthält.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch bis 3% Zink, Zinn und Blei einzeln oder nebeneinander enthält.

6. Verwendung einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff für Gegenstände, die wie Schiffsschrauben, Impeller, Wasserturbinen, Kondensatorrohre und Kondensatorbleche eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit, insbesondere Dauerfestigkeit besitzen müssen.