DE1913279C2

DE1913279C2 - Kupfer-Eisen-Legierung

Info

Publication number: DE1913279C2
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: 1971-07-24
Also published as: DE1913279B1; NL6904027A; US3740211A

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 Tür Maschinen oder Apparate, die beispielsweise in Gegenwart von Seewasser oder Seewasseratmosphäre eingesetzt werden wie beispielsweise Schiffsschrauben. Bislang hat man hierfür Kupferlcgierungen 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 Rissigkeif 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 k. >disch gegen Korrosion zu schützen. Dies ist jedoch bei Maschinen und Apparaten nicht in allen Fällen möglich, da hierbei zusätzlich eine Korrosionsschutzvorrichtung ^forderlich 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 I % 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 Tempenüurwechsel sein müssen, ti her das Verhalten dieser Legierung in Seewasser oder rnariiifncr AinK^phärc ist dagegen nichls bek?«nn·

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun durin, eine Kupfer-Eisen-Legierung zu schaffen, die die Vorteile der bekannten Kupferlegicrungcn hinsichtlich ihrer Hersteilung und Korrosionsbeständigkeit mit den hohen Festigkeiten und geringen Werkstoflkostcn bekannter Stähle in sich vereinigt. Das heißt, die erfindungsgemäße Legierung soll nach Verfuhren herstellbar sein, nach denen auch übliche Kupferlcgierungen hergestellt werden. Bei Verwendung der eriindungsgeiüiiücn i-cgieriingeü soll ein kulhodi.schcr Schul/ nicht erforderlich sein: außerdem soll ihre lestigkeit weitaus höher sein als die üblicher K upfcrlcgicrungüii. Schließlich soll sich die erlindungsgeiriiilSe Kupfer hisen-Legierung auch als Werkstoff für Schiffsschrauben, Impeller. Wasserturbinen, Koruleiisiilorrölircn 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 grö-

ßerer 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 kupferrciche 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 eriindungsgemäße 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 erschmelzungsbedingtcr Verunreinigungen Eisen.

Um durch Zugabc von Nickel und Mangan ein austenitisches Eisen zu erhalten und eine ausreichende Löslichkeit des Kupfers in der Austenit-Phase zu ermöglichen, ist ein Nickclgehalt von 5 bis 20% und ein Mangangehalt von 15 bis 35% erforderlich. Der Grund hierfür liegt 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 Aus-Führungsbeispielcn des näheren erläutert. In Tabelle I sind die Nominal-Zusammcnsetzungen mehrerer Kupfer-Eisen - Nickel - Mangan -Aluminium - Legierungen und ihre elektrischen Potentiale in gesättigtem Seewasser gegenüber einer gesättigten Kalomel-Elektrode zusammengestellt.

I'nlciiliiil [V]

	ic	Ni	Tabelle I	Al
(U	K	Δ)	Mn	2
4X	12	20	22	2
44	20	20	22	2
36	30	20	22	2
26		22

- ü,2i

-0,21

0.23

0,34

Aus Tubelle I ergibt sich, daß die Potentiale der dort aufgerührten Grundlegierungen zwischen 0,2

<*> und -0,35 V in Seewasser bezogen auf eine gesättigte Kalomelelektrode liegen, so daß diese Legierungen edler sind als Eisenlegierungen mit einem Potential von 0,7 V, Ein Zusatz von Chrom, das sehr wirksam hinsichtiieh der Bildung eines Schut/übcr/uges ist, /u

<>i der Kupfer- Eisen - Nickel - Mangan - Goldlegierung verbessert deren Korrosionsbeständigkeit weiterhin Die bekannten rostfreien Stühle, mit einem Zusatz von Chrom /u einer Cirimdlegierung 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 Korrosionsbeständigkeil der Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan-Grundlegierung erforderliche Kupfern nge 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 NijAI-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 .Ichmelz-

20 verhalten 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 Kupfer größere Chrommengen in Hinblick auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Kupfers zuzusetzen, was bislang wegen der Schwierigkeiten insbesondere wegen der Trennung der beiden nüssigen 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 Gußpu>ben ermittelt, die mit einer Geschwindigkeit von 5"C/Min. abgekühlt wurden.

	Cu	Fc	Ni	Mn	Cr	Tabelle II	Mo	Zugfestigkeit	Dehnung	tlürlc	Dauer- fesiigkeil
Legierung	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	Al	(%)	[kg/mm²]	[%i	[HB]	[kg/mm¹
	80,4	5,3	4,7	0,2		1%)		67 bis 71	15 bis 25	150 bis 180	25
Ni-Al-Bronze	—-	Rest	12	_	18	9,4	2	52 bis 57	40 bis 60	140 bis 150	30
18/8-Stahl	36	20	20	'Kl	—	—	—	70,5	36,2	182	30
1	26	30	20	22	—	2	—	70,2	34,8	182	—
2	30	25	15	15	13	2	—	76,6	36.4	207	42
3	30	20	15	20	13	2	—	86,4	18,0	238	47,5
4	30	24	15	22	7	2	—	72,4	34,4	190	—
5					2

Die chromhaltigen Kupfer-Eisen-Nickel-Mangan- die bei Korrosionsversuchen in Seewasscr gewonnen Aluminium-Legierungen der nachfolgenden Tabelle Hi 40 wurden. Dabei wurden mit einer Geschwindigkeit von besitzen noch bessere mechanische Eigenschaften, ins- 5⁰C⁷Mm. abgekühlte Gußproben 6 Monate in Seebesondere eine ausgezeichnete Korrüsiorisbesländig- wasser getaucht,
keil, wie die Daten der drei letzten Spalten beweisen.

Legierung

Ni-Al-Bronze

KX-Qliih

	Fc	N₁	Mn	Tabelle III	AI	Mo
Cu	(%)	1%)	1%)	Cr	(%)	t%>
(%)	5,3	4,7	0,2	(%)	9,4
80,4	Rest	12		—		2
■ -	25	15	15	18	2
30	20	15	20	13	1
30			13

Maximale

LochfraDtiefe

[mm j

0.2 1,7

Die crlimlungsgemüße Legierung kann im Niederfrcqucn/ofcn erschmolzen werden, wie er üblicherweise auch heim Krschnielzen von Kupferlegierungen verwendet wird, da ihr Schmelzpunkt 1250 bis 1313 C beträgt. Sie läßt sich in Zement-Sand-Fornien vergießen, wie sie beim Gießen von Schiffsschrauben üblicherweise verwendet werden. Außerdem ergibl sich ein kleiner Unterschied /wischen der Uwirbeiibiirkeit der crniuliingsgcniäßcn Legierung und üblicher Kiipferlegierungcn: schließlich betragen die Werksloffkostcn nur etwa die lliilfte üblicher Ktipfer- !egieruiigen. Die crlindun^sireniiiUe I cgieruug slelll daher einen außerordentlich wertvollen Werkstoff dar.

Kurrosiuns-

gcschwindigkeil

(mg/i ahr}

2,3
0,6
OiP
0,02

Korrosionsermüdung {kg/mm²]

21 24

40

Die erlindungsgemäßc Legierung kann auch als Werkstoff für Maschinenteile dienen, die wie durch plastische Verformung, Schmieden und Walzen hergestellte Konde'ii.siitorrohrc eine hohe Korrosions-

bcstündigkcit besitzen müssen. Die I cgicrung kann nicht nur die üblichen Verunreinigungen, wie Kohlenstoff. Sili/ium. Phosphor, Schwefel und andere Elemente, sondern auch stabilisierende KarbkSbildner, wie Titan. Hör und Niob, sowie Nilridbiklner, bei-

f>5 spielswi.se Titan. Zirkonium uiul Vanadin, enthalten. Die Höchstgehalte an Titan. Hör. Niob, Zirkonium und Vanadin sind jedoch auf jeweils 0.1 % begrenzt. Obgleich die erliiuluniisgeinäße legierung auch Mo-

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lybdän und Koball zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Korrosionsbeständigkeit enthalten kann, sollten deren Höchstgehalte im 1 [in blick aufdas gewünschte Gefüge und die Werkstoifkosten je 5% nicht übersteigen. Nicdrigschmelzende 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 erschmclzungsbcdiiiiitcr Verunreinigm.,,^ Eisen.

2. Legierung nach Anspruch i. ^ie ..doch 0,01 bis 5% Aluminium enthüll.

IO

3. Legierung n^;«ch 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% M lybdän und/oder Kobalt enthüll.

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

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