DE1914632A1

DE1914632A1 - Aushaertbare Nickel-Kupfer-Legierung

Info

Publication number: DE1914632A1
Application number: DE19691914632
Authority: DE
Inventors: Haeberle Carl Bliss; Eiselstein Louis Herbert
Original assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Current assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Priority date: 1968-03-25
Filing date: 1969-03-22
Publication date: 1969-10-09
Also published as: BE730405A; US3578440A; GB1225721A; SE342473B; FR2004669A1

Description

IIl/Fu.

19U632

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank,

London, S. W. 1, England

"Aushärtbare Nickel-Kupfer-Legierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Kupfer-Legierung, wie sie beispielsweise in der britischen Patentschrift 534 265 beschrieben wird. Die bekannte Nickel-Kupfer-Legierung enthält 50 bis 85% Nickel, 10 bis 45% Kupfer, 2 bis 4% Aluminium, 0,25 bis 1% Titan und 0,05 bis 0,3% Kohlenstoff. Eine bekannte Legierung, die in der Vergangenheit in großem Maßstäbe industriell verwendet wurde, enthält 63 bis 70% Kupfer und nominell 0,15% Kohlenstoff. Nach einem Aushärten bei 593°C besitzt diese Legierung eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität, die selbst bei sehr niedrigen Temperaturen erhalten bleiben. Außerdem besitzt die bekannte Legierung eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, gegenüber zahlreichen korrodierenden Medien.

Obgleich die bekannte Legierung sich seit über 25 Jahren bewährt hat, besitzt sie eine Reihe schwerwiegender Nachteile. So ist sie nur begrenzt bearbeitbar und unterliegen die Werkzeuge einem starken Verschleiß,, insbesondere, wenn sie aus Hartmetallen bestehen. Darüber hinaus ist das Schweißen, insbesondere ein Reparaturschweißen in situ so schwierig, daß man in der Praxis

gewöhnlicherweise davon Abstand nimmt. Schließlich, erfordert die Legierung ein mindestens 28-stündiges Aushärten im Ofen, um ihre guten Eigenschaften zu entwickeln. Der schlechten Bearbeitbarkeit kommt besondere Bedeutung zu, weswegen zahlreiche, jedochpislang erfolglos gebliebene "Versuche unternommen wurden, dieses Problem zu lösen. Die Zerspanbarkeit der Legierung wird zwar durch ein Glühen bei mindestens 115O°C wesentlich verbessert, doch führt eine derartige Wärmebehandlung zu einem unvertretbaren Kornwachstum.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Feststel— lung, daß die Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit der Legierung dann wesentlich verbessert wird, wenn der Kohlenstoffgehalt auf maximal 0,1% und der Titangehalt auf höchstens 0,5% begrenzt wird, ohne daß die Aushärt— barkeit der Legierung darunter leidet.

Die erfindungsgemäße Nickel-Kupfer-Legierung enthält daher 0,03 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5% Titan, 2,5 bis 3,5% Aluminium und 63 bis 70% Nickel. Liegen die Gehalte an Kohlenstoff und Titan außerhalb der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen, dann geht die Kombination guter Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit und Aushärtbarkeit auf hohe Festigkeiten verloren. Die durch das Aushärten erreichbare Festigkeit wird im übrigen beeinträchtigt, wenn der Aluminiumgehalt nicht in die Gehaltsgrenzen von 2,5 bis 3,5% fällt. Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Legierung 0,07% Kohlenstoff, 0,3% Titan, 3% Aluminium und 63 bis 70% Nickel.

Zu den zufälligen Begleitelementen, die keinen nachteiligen Einfluß auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen

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Legierung besitzen, gehören bis 2% Eisen, bis 1,5% Mangan und bis 0,5% Silizium. Wie bei anderen Nickel-Legierungen auch stellt der Schwefel eine unerwünschte
Verunreinigung dar, so daß der Schwefelgehalt 0,01%
nicht übersteigen sollte, während der Phosphorgehalt
höchstens etwa 0,02% beträgt und im Hinblick auf eine gute Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit und Verformbarkeit der Borgehalt 0,01% nicht übersteigen sollte. Außer diesen zufälligen Begleitelementen und Verunreinigungen besteht der Legierungsrest aus Kupfer.

Die erfindungsgemäße Legierung kann bei 593 bis 690⁰C und langsamer Abkühlung, beispielsweise mit höchstens i4°C/h, auf 480⁰C ausgehärtet werden. Sie kann jedoch nach dem Aushärten auch bis etwa 8 Stunden bei jeweils 620⁰C, 565°C oder 510⁰C, vorteilhafterweise 2 bis 8
Stunden bei 620°C und 2 bis 6 Stunden bei je 565⁰C
und 510⁰C mit einem Zwischenabkühlen im Ofen gehalten werden. Das Aushärten erfolgt am schnellsten bei 620 C, so daß die Legierung vorzugsweise 2 Stunden bei 620 C geglüht, im Ofen auf 565⁰C abgekühlt, bei dieser Temperatur 2 bis 4 Stunden gehalten und danach im Ofen
auf 510°C abgekühlt sowie 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und schließlich bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die
Legierung innerhalb von nur 10 Stunden auszuhärten. Längere Glühzeiten verbessern die mechanischen Eigenschaften überraschenderweise nur wenig, so daß sich die ausgezeichneten technologischen Eigenschaften innerhalb verhältnismäßig kurzer Glühzeiten erreichen lassen.

Ein Aushärten im Anschluß an eine Warmverformung, beispielsweise ein Warmwalzen oder -schmieden, ergibt im

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allgemeinen eine Streckgrenze von mindestens 56 kp/nrai , eine Zugfestigkeit von mindestens 91 kp/mm und eine Dehnung von mindestens 20%. Höhere Festigkeiten lassen sich durch eine Kaltverformung mit anschließendem Aushärten erreichen. Um optimale Eigenschaften zu erreichen, sollte die Legierung warmverformt und vor dem Aushärten etwa 30 Minuten bei 730 bis 760⁰C lösungsgeglüht werden. Nach einer Kaltverformung braucht die Legierung vor dem Aushärten nicht mehr lösungsgeglüht zu werden; vielmehr lassen sich im allgemeinen höhere Festigkeiten erreichen, wenn die kaltverformte Legierung direkt ausgehärtet wird. Soll eine kaltverformte Legierung jedoch lösungsgeglüht werden, muß das Lösungsglühen kürzer als 30 Minuten im oberen Bereich der vorerwähnten Temperaturen von 730 bis 760°C erfolgen. Die niedrigen Temperaturen für das Lösungsglühen stellen einen weiteren wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung dar, da auf diese Weise die Gefahr eines Oxydierens, Verwindens, Kornwachstums und von durch einen Temperaturschock verursachten Fehlern verringert wird. Dennoch kann die Legierung, um jede Härtesteigerung bei einem dünnen Band oder Blech zu beseitigen, das tiefgezogen, druckverformt oder fließgepreßt werden soll, auch bei höheren Temperaturen und kürzeren Zeiten geglüht werden, beispielsweise eine Minute bei 870°C.

Die Bearbeitbarkeit der Legierung ist in jedem Verformungs- oder Gefügezustand ausgezeichnet, jedoch im geglühten Zustand am besten. Vorteilhafterweise wird die Legierung jedoch vor dem Aushärten bearbeitet und danach fertigbearbeitet. Bei der spanabhebenden Bearbeitung ergibt sich ein faseriger Span, sowie eine ausgezeichnete Werkstückoberfläche. Die erforderliche Schneid-

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, kraft ist bei der erfindungsgemäßen Legierung etwa dieselbe wie bei dem rostfreien Stahl AISI 303 (Se).

Ein Gradmesser der Bearbeitbarkeit stellt ein Standard-Versuch auf einer gesteuerten Drehbank mit einem Einspitzenstahl bestimmter Formgebung dar. Im Rahmen dieses Versuchs wird bei bestimmter Schneidtiefe und bestimmtem Vorschub je Umdrehung ein Rundstab mehrmals gedreht. Dabei wird die Schneidgesehwindigkeit nach jeder Umdrehung geändert und die Zeit in Minuten gemessen, die für eine Schnittiefe von 0,38 mm an der Werfczeugspitze im Falle eines Hartmetallwerkzeuges.und von 1,27 mm im Falle eines Schnellstahls je Umdrehung gemessen. Die Versuchsergebnisse werden in ein Diagramm eingetragen, auf dessen Abszisse die Werkzeugstandzeit in Minuten und auf dessen Ordinate die Schneidgesehwindigkeit in Oberflächenmeter je Minute logarithmisch aufgetragen sind. Eine gute Bearbeitbarkeit ergibt sich, wenn die Kurve bei hoher Schneidgesehwindigkeit für eine gegebene Werkzeugstandzeit einen geraden Verlauf nimmt, während ein gekrümmter Kurvenverlauf und geringe Schneidgesehwindigkeit ein Anzeichen für eine schlechte Bearbeitbarkeit sind. Die Sehneidgeschwindigkeit V™ bei einer Werkzeugstandzeit von 30 Minuten läßt sich für einen Vergleich der Drehbarkeit einer Legierung in einem bestimmten Zustand mit der Legierung im Stansdardzustand verwenden. Dabei ergibt sich die Bearbeitbarkeit zu

_3Cl . (Versuch) . _100> ^V3Ö (Standard)

Dieser Standardversuch wurde zur Bestimmung der Zerspanbarkeit einer erfindungsgemäßen Legierung verwendet,

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die aus 65,37% Nickel, 3% Aluminium, 0,07% Kohlenstoff, 0,84% Eisen, 0,54% Mangan, 0,11% Silizium, 0,30% Titan und 0,009% Schwefel, Rest Kupfer "bestand. Diese Legierung wurde im Lichtbogenofen unter Luft erschmolzen und zu Blöcken mit einer Abmessung von 5Q x 50 χ 230 cm vergossen. Ein Block wurde ohne Schwierigkeiten zu einem Rundstab mit einem Durchmesser von 10 cm ausgewalzt, von dem ein Teil bis auf einen Durchmesser von 9,7 Om kaltgezogen wurde, während ein weiterer Teil des Stabes zu einem Quadratknüppel mit einer Kantenlänge von 5 cm ausgescnmiedet und ein dritter Teil bis auf einen Drahtdurchmesser von 19 mm kaltgezogen wurde. Teile dieser Proben wurden 30 Minuten bei 760⁰C lösungsgeglüht und zwei Stunden bei 62Q⁰C ausgehärtet, im Ofen auf 565°C abgekühlt, 2 bis 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, danach im Ofen auf 510⁰C abgekühlt und 4 Stunden bei dieser . Temperatur gehalten sowie anschließend bis auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die Zugfestigkeiten der verschiedenen Proben ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle I.

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Tabelle I

Durchmesser (cm)

Zustand Streckgrenze Zugfestigkeit

(kp/mm )

Dehnung Einschnürung

Härte

	• 10	1	26,0	59,8	47,0	75,0	74 RB	si
	10	2	64,7	99,2	28,0	53,0	23 RC	I
to ο	10	3	24,2	58,4	48,0 .	75,0	73 RB
cc 03	10	4	"66,8	100,6	27,0	52,0	24 RC
■Ο»
^ .	9,7	5	38,7	61,2	42,0	71,0	83 RB
	9,7	6	66,1	98,5	25,0	44,0	25 RC
O ω	9,7	7	26,7	56,6	49,0	79,0	74 RB	to
	M,..,.....	8	• 65,8 .	97,0	26,0	46,0	24 RC	j!
	5 χ 5	9*	65,4	99,2	25,0	55,0	25 RC	cn
	1,9	5	50,0	65,4	37,0	77,0	89 RB	■ro
	1,9	6*	76,6	100,6	24,0	50,0	28 RC
	1,9	7	35,2	60,5	43,0	79,0	84 RB
	1,9	8*	69,6	99,2	27,0	51,0	—
	1i9	8	68,9 '	99,2	28,0	47,0

* ausgehärtet und zwei Stunden bei 55O°C gehalten; die übrigen ausgehärteten Proben wurden vier Stunden bei 565°C gehalten.

Zustand

1 warmgewalzt

2 warmgewalzt und ausgehärtet

3 warmgewalzt und geglüht

4 warmgewalzt, geglüht und ausgehärtet

5 kaltgezogen

6 kaltgezogen und ausgehärtet

7 kaltgezogen und geglüht

8 kaltgezogen, geglüht und ausgehärtet

9 geschmiedet, geglüht und ausgehärtet»

Teilstücke der obenerwähnten Proben wurden in sechs verschiedenen Zuständen% einem Bearbeitungsversuch unter Verwendung von Hartmetallwerkzeugen unterworfen. Die Versuchsergebnisse sind als Kurven 1, 2, 3, 5 und 7 in das Diagramm der beiliegenden Zeichnung eingetragen, die den in der Füßnote zu Tabelle I erwähnten Zuständen entspre-r chen. In allen Fällen war die Oberflächenbeschaffenheit außerordentlich gut. Die Versuchsergebnisse führten zu gleichmäßigen, gerade verlaufenden Kurven, die keine Unstetigkeit zeigten, und sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten als Anzeichen einer ausgezeichneten Zerspanbarkeit. In der nachfolgenden Tabelle II sind die Drehbarkeiten entsprechend der obigen Formel bei Verwendung von Hartmetallwerkzeugen und Hochgeschwindigkeitsstählen zusammengestellt, wobei als Standardzustand die warmgewalzte und geglühte Probe gewählt wurde. .

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Tabelle II

Zustand

Zerspanbarkeit

Hartmetall- Hochgeschwinwerkzeug digkeitsstahl

warmgewal ζ t, / -ζ \ geglüht ^ ' warmgewalzt (1)

kaltgezogen, geglüht

kaltgezogen, (5)

warmgewalζt, /ρ\

ausgehärtet * '

warmgewalzt,

geglüht, (4) ausgehärtet

100 93 93 75 65

65

100

91 98 81 70

70

Die bessere Zerspanbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung zeigt sich auch an den Ergebnissen ähnlicher Versuche, die an warmgewalzten Rundstäben einer Legierung ermittelt wurden, die mit Ausnahme der Gehalte an Kohlenstoff oder Titan die oben bereits erwähnte Zusammensetzung besaß. Eine Legierung mit 0,11% Kohlenstoff und 0,52% Titan zeigte einen unstetigen Standzeitverlauf. Eine andere Legierung mit 0,14% Kohlenstoff und 0,32% Titan ergab einen Standzeitverlauf, der verhältnismäßig gerade "war, jedoch zu einer sehr geringen Zerspanbarkeit führte, wobei die Zerspanbarkeit bei Hartmetallwerkzeugen geringer war als bei Schnellarbeitsstählen. Andererseits besaß eine Legierung mit 0,15% Kohlenstoff, 0,54% Titan, eine sehr geringe, teilweise gar keine Zerspanbarkeit. Die Versuchsergebnisse dieser Legierung im kaltgezogenen Zustand sind im Diagramm der Zeichnung als Kurve A einge-

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tragen; der abknickende Kurveiyerlauf im Bereich geringer Zerspanbarkeit ist außerordentlich unerwünscht. Die Kurve D derselben, jedoch kaltgezogenen und ausgehärteten Legierung zeigt ebenfalls deren sehr geringe Zerspanbarkeit.

Die Schweißbarkeit der vorerwähnten Legierung wurde anhand vorgespannter Stumpf schweißungen von 2,5 cm dicken geschmiedeten Platten ermittelt,- Nach einem halbstündigen Glühen bei 760⁰C und Abkühlen in Luft wurden diese zwei Stunden bei 620⁰C ausgehärtet, im Ofen auf 565°C abgekühlt, 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, danach im Ofen auf 510⁰C abgekühlt und wiederum 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten sowie in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wurden die Platten zu einem 10 cm dicken Stahlblock stumpfgeschweißt, in dem der V-Plattenstoß mit dem Metall einer ummantelten Nickel-Kupfer-Schweißelektrode ausgefüllt wurde. Das Werkstück wurde danach erneut in der vorerwähnten Weise ausgehärtet. Nach der Entnahme der Legierung aus dem Spannblock konnten weder Reckaiterungs- oder Innenrisse festgestellt werden; Biegeversuche, bei denen 9,5 mm dicke, quer durch die Schweißnaht herausgeschnittene Scheiben um einen Dorn mit einem Durchmesser von 3,8 cm gebogen wurden, zeigten im Bereich der Schweißzone weder Risse noch Nester. Die Ergebnisse von Querzugversuchen an Probestücken, die aus dem ausgehärteten Werkstück unter Einschluß der Schweißzone herausgearbeitet worden waren, sind zusammen mit den Ergebnissen von an der Schweiße durchgeführten Versuche in der nachfolgenden Tabelle III zusammengestellt.

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Tabelle III

Versuch

Streckgrenze (kp/mm )

Zugfestigkeit (kp/mm )

Dehnung
OO

Bruchstelle

CO O Cp

Querprobe Querprobe

Längsprobe der Schweißnaht

Leingsprobe der Schweißnaht

67,2

65,8

78,8 77,0

97,3 96,6

105,5 •104,1

22,0
22,0

7,0
17,0

Grundmetall Grundmetall

Schweißnaht Schweißnaht

■ρ 12 -

Die erfindungsgemäße Legierung "behält ihre Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität innerhalb eines weiten Temperaturbereiches und läßt sich daher bei Temperaturen von -250- bis +425⁰C verwenden. Sie läßt sich in üblicher Weise walzen und zu Draht, Stäben, Blechen, Bändern, Rohren, Strangpreßprofilen und Schmiedestücken verarbeiten. Sie ist als Werkstoff für Gegenstände wie Pumpenwellen, Impeller, Propellerwellen, Schachtkränze für Ölquellen, Instrumente, Papiermaschinenschaber und Streichbleche, Ventilteile und Federn zu verwenden.

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Claims

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 1, England Patentansprüche:

1. Aushärtbare Nickel-Kupfer-Legierung, bestehend aus 63 bis 70% Nickel, 2,5 bis 3,5% Aluminium, 0,03 bis 0,10% Kohlenstoff und 0,1 bis 0,5% Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Kupfer.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0^07% Kohlenstoff, 0,3% Titan und 3% Aluminium enthält.

3. Verfahren zum Aushärten einer Legierung nach den Ansprüchen

1 oder 2, gekennzeichnet durch ein

2 bis 8-stündiges Glühen bei 620⁰C, anschließendes Ofenabkühlen auf 565°C und zwei bis 6-stündiges Halten bei dieser Temperatur mit nachfolgender Ofenabkühlung auf 51O°C und 2 bis 6-stündigem Halten bei dieser Temperatur.

4. Verfahren nach 'Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung 2 Stunden bei 62Q⁰C, 2 bis 4 Stunden bei 565°C und 4 Stunden bei 510⁰C gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung vor dem Aushärten bei höchstens 760⁰C lösungsgeglüht wird.

6. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, als knetbarer Werkstoff für durch Zerspanen herstellbare

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iind schweißbare Gegenstände wie Pumpenwellen, Impeller, Propellerwellen, Schachtkränze und Instrumente, Papier— maschinenschaber, Streichbleche, Ventilteile und Federn.

7. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, als knetbarer Werkstoff für durch Zerspanen hersteilbare und schweißbare Gegenstände, die im Temperaturbereich, von -250 bis +425⁰C eine hohe Festigkeit und Buktilität besitzen müssen.

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