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"Kupferlegierung" Phosphorbronzen sind Kupferlegierungen, die Phosphor
und Zinn enthalten. Derartige legierungen mit einem Phosphorgehalt von oberhalb
0,07% und einem Zinngehalt von oberhalb etwa 4% lassen sich schlecht warmverformen.
Dies zeigt sich durch starke Rißbildung während des Heißwalzens bei mäßig erhöhten
Temperaturen. Diese 'Jarmrißanfälligkeit ist bei zunehmendem Gehalt an Zinn und
Phosphor noch stärker ausgeprägt. Dementsprechend lassen sich derartige Legierungen
bei normalen technischen Heißwalztemperaturen schlecht walzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kupferlegierungen des Phosphorbronzetyps
zu schaffen, die sich durch gute Warmverformbarkeit bei den üblichen Warmverformungstemperaturen,
gute Heißwalzbarkeit und verbesserte- mechanische Eigenschaften auszeichnen. Diese
i^-uRgabe wird durch die Erfindung gelöst. Die Erfindung betrifft somit den in den
Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
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Die Korngröße der Legierung der Erfindung beträgt weniger als 0,010
iffnund die Legierung enthält in ihrem Gefüge bzw. der Matrix Phasen feindispers
dispergiert.
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Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht, sofern nichts anderes
angegeben ist. Die Legierung der Erfindung enthält vorzugsweise mindestens 4% Zinn,
da derartige Legierungen eine besonders starke Verbesserung ihrer Eigenschaften
zeigen. Der Phosphorgehalt beträgt 0,01 bis 0,3, vorzugsweise Q02 bis 0,1%.
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Als übergangsmetall enthält die Legierung der Erfindung entweder Zirkon,
Titan, Vanadium und/oder Chrom in einer Menge von åeweils 0,2 bis 0,8%, vorzugsweise
von jeweils 0,2 bis 0,5%.
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Chrom ist als Übergangsmetall bevorzugt. Ferner enthält die Legierung
der Erfindung entweder Eisen oder Kobalt oder beide Elemente in einer Menge von
jeweils 0,3 bis 2,0%, vorzugsweise von jeweils 1 bis 2%. Bei gleichzeitiger Verwendung
von Eisen und Kobalt beträgt der Mindestgehalt dieser beiden Elemente 0,8%, d.h.
entweder allein oder in Kombination müssen mindestens 0,8% Eisen und Kobalt vorliegen.
Dies ist erforderlich, um die entsprechende Gießstruktur zum Heißwalzen zu erhalten.
Eisen und/ oder Kobalt zusammen mit den vorgenannten Übergangsmetallen, insbesondere
Chrom, vergütet die Gießkornstruktur und setzt die Bildung von niedrigschmelzenden
Kupfer-Phosphor- oder Eupfer-Phosphor-Zinn-Phasen auf ein Mindestmaß herab, die
normalerweise die Heißwalzbarkeit verschlechtern.
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Der Rest der Legierung besteht im wesentlichen aus Kupfer. Die
Legierung
kann jedoch zusätzliche Legierungsbestandteile enthalten, um spezielle Eigenschaften
zu erzielen. Beispielsweise kann die Legierung noch geringe Mengen anderer Elemente,
wie Beryllium, fgnesium, Silicium, Aluminium, Arsen, Antimon oder Blei, enthalten,
um beispielsweise die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit, Verarbeitungseigenschaften
und Bearbeitungseigenschaften zu verbessern. Ferner kann die Legierung die üblichen
Verunreinigungen enthalten.
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Die Legierung der Erfindung zeichnet sich durch eine Korngrö2e von
weniger als 0,010 mm aus, die im erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird. Diese
feine Korngröße trägt erheblich zu den verbesserten Eigenschaften der Legierung
bei. Außerdem ist die Mikrostruktur der Legierung durch die Gegenwart von im Gefüge
bzw.
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der Matrix feindispers dispergierten Phasen gekennzeichnet, deren
Gegenwart auf dem erfindungsgemaßen Verfahren beruht. Eine dieser Phasen enthält
eine intermediäre bzw. intermetallische Phase aus Eisen und/oder Kobalt und einem
Ubergangsmetall, belspielsweise Chrom, als feste Lösung. Eine zweite dieser Phasen
enthält Phosphide von Eisen und/oder Kobalt und Übergangsmetall, beispielsweise
Chrom. Die Phosphide können als stöchiometrische oder nichtstöchiometrische Verbindungen
vorliegen. Diese Phasen sind entscheidend für die verbesserten Eigenschaften der
Legierung der Erfindung.
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Die Kupferlegierung der Erfindung kann in üblicher Weise vergossen
werden, beispielsweise durch Fallendgießen oder kontinuierliches Gieren. Nach dem
Gießen wird die Legierung bei Temperaturen
von 700°C bis zur Solidustemperatur
der jeweiligen Legierung homogenisiert. Beispielsweise hat eine Legierung mit 5%
Zinn und 0,05,ó Phosphor, die eine besonders bevorzugte Legierung darstellt, eine
Solidustemperatur von 950?C. Das Homogenisieren soll mindestens 15 Minuten und im
allgemeinen höchstens 24 Stunden durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Homogenisieren
bei der 5% Zinn enthaltenden Legierung 15 Minuten bis 4 Stunden bei Temperaturen
von 800 bis 9000C durchgeführt.
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Nach dem Homogenisieren wird die Legierung bei einer Anfangstemperatur
von mindestens 65000 und bis zu innerhalb 500C der Solidustemperatur der jeweiligen
Legierung heiß gewalzt. Das Schlußheißwalzen soll oberhalb 4000C erfolgen. Die Legierung
hat den besonderen Vorzug, daß sie bei den üblichen technischen Temperaturen gut
heiß gewalzt werden kann, ohne Bildung einer flüssigen Phase, wie sie häufig bei
bekannten Phosphorbronzen auftritt, die Warmbrüchigkeit hervorruft.
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Die bevorzugte Heißwalztemperatur nimmt mit zunehmendem Zinngehalt
ab. Beispielsweise wird eine Legierung der Erfindung mit etwa 6% Zinn vorzugsweise
im Temperaturbereich von 750 bis 9000C heißgewalzt. Dies ist besonders überraschend,
da sich bekannte Phosphorbronzen bei Temperaturen oberhalb 8000C nicht heißwalzen
lassen, ohne Risse zu bilden. Ferner tntenbeim Heißwalzen der bekannten Phosphorbronzen
bei niedrigeren Temperaturen starke Zunderverluste auf und das Walzen erfordert
einen hohen Energieaufwand.
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Nach dem Heißwalzen wird die Legierung auf die gewünschte Endstärke
kaltgewalzt. Die Legierung läßt sich entweder mit oder ohne Zwischenglühen direkt
auf die Endstärken kaltwalzen. Sofern zwischen den Kaltwalzgängen eine Zwischengluhstufe
eingeschaltet wird, kann die Legierung entweder nach dem Bandglühverfahren oder
den Chargenglünverfahren bearbeitet werden. Beispielsweise können Haltezeiten von
10 Sekunden bis 24 Stunden und Temperaturen von 250 bis 8500C angewendet werden.
Im fertigen Zustand kann das behandelte Material entweder als kaltnachgewalztes
Bandmaterial oder als wärmebehandeltes Bandmaterial vorliegen.
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Die Legierung der Erfindung kann einem Schlußglühen während 10 Sekunden
bis 8 Stunden bei Temperaturen von 100 bis 8500C unterworfen werden, um ihre Streckfestigkeit
und Duktilitätseigenschaften zu verbessern.
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Die Legierung der Erfindung zeichnet sich durch gute Heißwalzbarkeit
und bessere mechanische Eigenschaften aus als die üblichen Phosphor-Zinn-Kupfer-1egierungen.
Die Verfestigungswirkung bei der Legierung der Erfindung ist ein direktes Ergebnis
der Lösungsverfestigung, Dispersionsverfestigung und Ausfällungsverfestigung, die
beim Zusatz der Legierungsbestandteile zur Grundlegierung erfolgen. Außerdem verursachen
die Eisen und/oder Kobaltteilchen, die sich im Legierung sge füge bilden, eine Kornverfeinerung.
Diese Verfestigungsmodifikationen bei der Kornverfeinerung werden ohne nennenswerte
ungünstige Zirkon hinsichtlich der Biegbarkeit oder elektrischen Leitfähigkeit der
Grundlegierung
erzielt.
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Außer den vorgenannten Eigenschaften hat die Legierung eine verbesserte
Beständigkeit gegen SpannungsriRbkorrosion in Ammoniakatmosphäre gegenüber den bekannten
Phosphorbronzen. Beispielsweise wurde eine typische Legierung der Erfindung als
U-förmiger Prüfkörper für die Spannungsrißkorrosion feuchtem Ammoniakgas ausgesetzt.
Die Lebensdauer des Prüfkörpers betrug 180 Stunden, während eine bekannte Phosphorbronze-Legierung
510 unter den gleichen Bedingungen eine Lebensdauer von lediglich 60 Stunden besaß.
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Die Beispiele erläutern die Erfindung.
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Beispiel 1 Eine Legierung der Erfindung, nachstehend mit Legierung
A bezeichnet, und eine bekannte Phosphorbronze-Legierung 510 (Legierung B und C)
der in Tabelle IA angegebenen Zusammensetzung wurden von 12000C in eine mit Wasser
gekühlte Gießform aus Stahl gegossen. Das Gußstück der Legierung A wird 2 Stunden
bei 90000 homogenisiert und bei einer Anfangstemperatur von 8700C und einer Endtemperatur
oberhalb 40000 auf eine Stärke von 9,5 mm mit einer Gesamtverminderung in der Heißwalzstufe
von 79% heißgewalzt. Die Legierung B wird 2 Stunden bei 75000 homogenisiert und
bei einer Anfangstemperatur von 7250C und einer Gesamtverminderung in der Heißwalzstufe
von 79 auf 9,5 mm heißgewalzt.
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Die Legierungen werden sodann auf eine Dicke von 3,048 mm kaltgewalzt.
Die Zugfestigkeitseigenschaften der Legierungen nach
2 1/2stündigem
Glühen bei 50000 und im kaltgewalzten Zustand unter Verwendung der in Tabelle IB
angegebenen Stärkeverminderungen sind ebenfalls in Tabelle IB zusammengefaßt. Zum
Vergleich sind die entsprechenden Zugfestigkeitseigenschaften der bekannten Phosphorbronze-Legierung
B in Tabelle 13-angegeben.
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Zum weiteren Vergleich wurde eine übliche Phosphorbronze-Legierung
510 (Legierung C) durch Kaltwalzen und Glühen verarbeitet, da aufgrund ihres Phosphor-
und Zinngehaltes diese Legierung nicht heißgewalzt werden kann. In Tabelle 13 sind
ebenfalls die Eigenschaften der Legierung C zusammengefaßt.
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Tabelle IA Legierung Cu°,6 Sn% P% Fe% Cr A Rest 5,8 0,1 1,0 0,5 3
Rest 4,4 0,07 - -C Rest 5,2 0,08 - -
Tabelle IB Legierung % Verminderung
Festigkeit maximale Zug- Dehnung, in der Kälte bei 0,2 festigkeit, Dehnung, 2 kg/cm2
kg/cm A 0 3726 5202 38 B 0 1898 3374 48 c 0 1687 3585 51 A 20,8 6538 6749 14 B 20,8
4710 5624 17 c 20,8 3937 4499 22 A 37,5 7172 7112 5,8 B 37,5 5905 6117 7,5 c 37,5
5624 5905 10 A 60,8 8367 8578 2,7 B 60,8 7242 7523 2,0 c 60,8 7101 7453 3,0 A 80,0
8999 9282 1,7 B 80,0 7845 8437 1,5 c 80,0 7593 8015 1,0 A 90,0 9421 9702 1,5 B 90,0
8226 8648 1,0 c 90,0 7875 8156 0,5 Aus den Tabellen geht die Überlegenheit der Legierung
der Erfindung gegenüber den bekannten Legierungen hervor. Die Legierung A hatte
eine Korngröi?e von weniger als 0,005 mm, während BJ+ die Korngrößen der Legierungen/C
0,010 bis 0,030 mm betrugen.
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Die Legierung A der Erfindung ist.auch dadurch gekennzeichnet, daß
die Phasen feindispers im Gefüge dispergiert sind.
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B e i s p i-e 1 2 Die Legierungen A und C wurden in kaltgewalzter
Form gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Biegeeigenschaft dieser Legierungen 1
wurde
bei äquivalenten Festigkeitswerten untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II
zusammengefaßt. Zum Vergleich der Blegeeigenschaften wird jede Probe um Kerne mit
unterschiedlichem Radius gebogen, um den Mindestbiegeradius jeder Probe bei verschiedenen
Festigkeitswerten zu untersuchen, ohne daß die Probe Risse bildet. Die erte sind
wiedergegeben als der stärkste Radius R, bei dem keine RiS.bildung auftritt, dividiert
durch die Dicke t des Streifens. Der größere Wert R/t ist ein Anzeichen für schlechtere
Biegeeigenschaften. Die Ausdrücke "Längsrichtung» und Querrichtung" beziehen sich
auf die Beziehung der Biegeachse zur Walzrichtung. Die Meßergebnisse in der Längsrichtung
sind gut, da die Ialzrichtung senkrecht zur Biegeachse verläuft, d.h. es werden
bessere Biegeeigenschaften erhalten. Die Messung in der Querrichtung ist schlecht,
da das Walzen parallel zur Biegeachse verläuft.
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Mit der Legierung A der Erfindung können erheblich bessere Blegungen
in der Querrichtung erhalten werden, während gute TZerte bei der Biegung in Längsrichtung
beibehalten werden. Dies ist von Bedeutung, da Phosphorbronzen dafür bekannt sind,
daß sie sich schlecht in der Qvuerrichtung biegen lassen, während sie sich sehr
gut in der Längsrichtung biegen lassen.
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Für die bekannte Legierung C sind keine Biegewerte bei einer 0,2 Festigkeit
von 8437 kg/cm2 angegeben, da diese Legierung nicht auf so hohe Festigkeitswerte
verarbeitet werden kann.
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Tabelle II Legierung 0,2% Festigkeit, Längsrichtung R/t Querrichtung
kg/cm2 R/t A 4922 0,4 0,6 C 4922 0,3 0,8 A 5625 0,8 1,0 C 5625 0,4 2,4 A 6328 1,4
1,8 o 6328 0,4 4,4 A 7031 2,4 3,4 c 7031 0,6 8,0 A 7734 4,0 7,0 c 7734 2,0 15,0
A 8437 5,6 12,0 C 8437 Beispiel 3 Es wird eine erfindungsgemäße Legierung D folgender
Zusammensetzung hergestellt: Eisen 0,7%, Kobalt 0,4%, Zinn 5,5%, Chrom 0,4, Phosphor
0,1%, Rest Kupfer. Die Legierung wird gemäß Beispiel 1 verarbeitet. Sie hat vergleichbare
Eigenschaften.