DE2635947A1

DE2635947A1 - Aushaertbare, dem neusilber aehnliche cu-zn-ni-mn-legierung

Info

Publication number: DE2635947A1
Application number: DE19762635947
Authority: DE
Inventors: Pierre Marechal
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: Institut Straumann AG
Priority date: 1976-07-15
Filing date: 1976-08-10
Publication date: 1978-01-19
Also published as: JPS5551507B2; AU507768B2; AU2686877A; FI66916B; DE2635947C3; SE7708212L; US4147568A; CH621577A5; FR2358469A1; SE439782B; CA1091957A; FI66916C; FI772028A; JPS5311117A; FR2358469B1; GB1508259A; DE2635947B2

Description

Institut Dr. Ing. Reinhard Straumann AG, Waidenburg (Schweiz)

Aushärtbare, dem Neusilber ähnliche Cu-Zn-Ni-Mn-Legierung

14822 Ed/vw Fall 132

Unter Neusilber (Nickel silver im englischen Sprachgebrauch, mailleehort blane argent im französischen Sprachgebrauch und Alpacca oder Alpaca im italienischen und spanischen Sprachgebrauch) versteht man eine Ni-Cu-Zn-Legierung von silberähnlicher Farbe, guter Korrosionsbeständigkeit und guten Festigkeitseigenschaften, die- als Konstruktionswerkstoff in der Mechanik, Elektrotechnik, Architektur und auch für die Herstellung von Schmuck und kunstgewerblichen Gegenständen verwendet wird.

Bekannte Neusilberlegierungen enthalten beispielsweise

45 - 70 %> vorzugsweise 60 - 64 %» Cu (beispielsweise 62 %) 8 - 45 %, vorzugsweise 15 - 24 %₉ Zn (beispielsweise 20 %) 8 - 28 %> vorzugsweise 12 - 25 %_t Ni (beispielsweise 18 %)

Neusilberlegierungen mit Mn Zusatz sind ebenfalls auch bekannt. Sie enthalten beispielsweise noch:

70 988 3/06 0 8

- ²^- 2635847

1 - 15 %, vorzugsweise 2 - 6 %_f Mn (beispielsweise H %)

Diese vorbekannten Neusilber-Legierungen sind im allgemeinen nicht durch eine Wärme-Behandlung aushärtbar, sie werden kaltverformt, um eine Festigkeits-Steigerung zu erreichen, wobei die Duktilität stark erniedrigt wird. Sie weisen zwar eine weisse Farbe auf, die aber auf gelblich hin tendiert.

Ziel der vorliegenden Erfindung war die Schaffung einer dem Neusilber ähnlichen Legierung auf Cu-Zn-Ni-Mn-Basis, die einerseits durch Kaltverformung auf höhere Festigkeit als die bisher bekannten Neusilber-Legierungen verfestigt werden kann, wobei jedoch die hohe Duktilität erhalten bleiben soll, und die andererseits durch eine Wärmebehandlung aushärtbar sein soll, durch welche Festigkeiten erhalten werden sollen, die mindestens gleich hoch sind wie diejenigen der bekannten Neusilber-Legierungen und der besonders in der Elektrotechnik verwendeten Cu-Be-Legierungen. Nach Möglichkeit soll jedoch die Festigkeit des neuen Materials im thermisch ausgehärteten Zustand grosser sein als die Festigkeit der beiden vorgenannten Materialien. Die neue Legierung soll zudem eine schöne weisse, nicht gegen das Gelbliche hin gehende Farbe haben. Überdies soll sie sich preiswert herstellen lassen und in ihren übrigen Qualitäten den bekannten Neusilber-Legierungen und den Cu-Be-Legierungen mindestens ebenbürdig sein.

Diese erfindungsgemässe Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält:

36 - HH % Cu

21 - 28 % eines oder mehrerer der Elemente Zn,Sn,In, mit der Einschränkung, dass Sn + In höchstens 10 % betragen,

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l8 - 25 % eines oder mehrerer der Elemente Ni₃Co, mit der Einschränkung, dass der Co-Gehalt höchstens 5 % beträgt,

10 - 18 % Mn

bis zu 0,5 % eines oder mehrerer der Elemente Be, SE

(seltene Erden), mit der Einschränkung, dass weder der Be-Gehalt noch der SE-Gehalt mehr ^aIs 0,3 % beträgt, ·

sowie als/Oxidationselemente dienende Zusätze aus der Gruppe Li, Mg, Ca, Ti und als übliche Verunreinigung

Bei einer besonders zweckmässigen Ausführungsform der Legierung sind die Hauptbestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden:

38 - 42 %, vorzugsweise 40 %₉ Cu 23 - 26,5 %t vorzugsweise 24,8 #, Zn₈ von denen bis zu

10 % durch Sn und/oder

In ersetzt sein könneη _s 19*5 - 22,5 %s vorzugsweise 21 %₉ Ni₉ von denen bis zu 5 %

durch Co ersetzt sein

können,

12 - 16 %₉ vorzugsweise 14 %, Mn 0,05 - 0,4 5ί, vorzugsweise 0,2 %_t Be und/oder SE

Für die Erschmelzung dieser neuen Legierung kann die übliche Erschmelzungs-Praxis der bisher bekannten ternären, Cu-Ni-Zn, bzw. quaternären Cu-Ni-Mn-Zn, Neusilber-Legierungen, bzw. der bisher bekannten Cu-Be-Legierungen angewendet werden.

Der Schmelzbereich dieser neuen Legierung liegt zwischen 850° und 960°, also 150 - 200° niedriger als zum Beispiel der Schmelzbereich der bekannten Cu Ni 18 Zn 20 Neusilber-Legierung. Dadurch wird das Schmelzen und Giessen wesent-

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lieh vereinfacht, da man folgende Vorteile erreichen kanm Man spart Energie, es treten geringere Verluste an Zn und Mn auf, die gewünschte Sollzusammensetzung lässt sich besser einhalten, der Schmelztiegel und die Gusskokillen sowie andere Hilfsmittel haben eine längere Standzeit. Die Legierung kann zum Beispiel in der Luft mit einer Holzkohlen-Decke oder mit Borax- bzw. Kryolith-Schlake erschmolzen werden, wobei die aushärtenden bzw. desoxydierenden Zusätze, also Be bzw. SE₃ erst unmittelbar vor dem Giessen zulegiert werden sollen. Die Legierung kann im Temperaturbereich von 600 bis 730°C warm verformt werden, vorzugstfeise bei 670 - 710° durch Strangpressen, bei 630 - 670 C durch Walzen und Schmieden. Die neue Legierung lässt sich gut xirarmverformen, es sind hohe Querschnittsreduktionen, ZeBo im Verhältnis von 40 ; 1 durch Warm-Strangpressen, möglich. Die verhältnismässig niedrige Warm-Umform-Temperatur ermöglicht eine lange Standzeit der Warm-Umformwerkzeuge„ Alle diese Vorteile ergeben eine hohe Wirtschaftlichkeit der Warm-Umformungsprozesse.

Die Legierung ist oberhalb von ca. 550° einphasig, sie weist die sogenannte α-Phase auf. Unterhalb von ca. 550°C scheidet im warm verformten Zustand nur langsam eine tetragonale Phase und, falls die Legierung Be enthält, auch noch eine intermetallische Phase aus. Da die Ausscheidungsgeschwindigkeiten beider Phasen klein sind, ist die Abkühlungsgeschwindigkeit von den Warm-Umformungs-Temperaturen auf Raum-Temperatur vor der Kaltumformung gar nicht kritisch, so dass bei Raum-Temperatur die Legierung noch einphasig ist und sich problemlos kaltverformen lässt. Querschnittsabnahmen bis zu 95 % sind an warm stranggepressten Stäben von 16 und 25 mm Durchmesser, die von 690⁰C auf Raum-Temperatur in Luft abgekühlt wurden, durchgeführt worden. Kaltverformungsgrad von 90 %, als Querschnittsabnahme ausgedrückt, sind durch Walzen, Rollen, Hämmern, Ziehen, Schmieden und andern Verfahren

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möglich, da die Legierung im geglühten Zustand weich ist, nämlich eine Vickershärte von nur 110 Kp mm" aufweist. Zwar ist die Verfestigung durch Kaltverformung stärker als bei den bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen, jedoch weist die neue Legierung bei der Kaltverformung eine geringere Duktilitätsabnahme auf, wodurch die Gefahr eines Bruchs durch Uberbeanspruchung des Materials während der Umformung praktisch ausgeschaltet ist, was gegenüber den bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen auch eine erhöhte Wirtschaftlichkeit zur Folge hat und die Herstellung von komplizierten Profilen bzw. Teilen deutlich vereinfacht oder überhaupt ermöglicht.

Dadurch sind auch weniger Zwischenglühungen - Rekristalli sationsglühungen - nötig. Die Rekristallationsglühungen können zwischen 570 und 63O⁰C, vorzugsweise 600°C, durchgeführt werden.

Da die Legierung durch Wasserstoff nicht versprödet wird, können die thermischen Behandlungen aller Art, z.B. Rekristallisationsglühung und Aushärtung, in reinem Wasserstoffgas oder einer Wasserstoffgas enthaltenden Atmosphäre gemacht werden.

Es wurden bei Werkstücken aus einer Legierung mit

40 % Cu

24,8 % Zn

20 % Ni

15 % Mn 0,10 % Be 0,10 % SE,

die bei 600°C geglüht worden sind und anschliessend kalt rund gewalzt wurden, die folgenden Werte für die Vickers-Härte ermittelt:

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-2

geglüht 110 kp mm

20 % kalt verformt 200 kp mm"²

30 % kalt verformt 215 kp mm

40 ^ kalt verformt 230 kp mm"²

_—ρ

50 % kalt verformt 240 kp mm

75 % kalt verformt 250 kp mm"

90 % kalt verformt 270 kp mm"²

Da erfahrungsgemäss für diese Legierungen das Verhältnis zwischen Härte und Festigkeit 2,1 - 2,3 beträgt, erreicht man mit der Kaltverformung Zugfestigkeiten bis zu 130 N mm"

Wird diese kaltverformte Legierung zwischen 300 und 450⁰C wärmebehandelt, wobei zwischen 370 und 420⁰C ein Optimum vorhanden ist, so ist eine starke Festigkeitssteigerung

_p

bis zu 1750 N mm zu beobachten.

Als weitere mechanische Eigenschaft konnte gemessen werden nach 30-90 #iger Kaltverformung, Aushärtung bei 39O°C:

Gleichmassdehnung: 1 - 4 % je nach Festigkeit,nämlich

1,5 - 2,5 % bei 1750 N mm"²

3 - 4 % bei 1500 N mm"²

Bruchdehnung: 3 - 6 % bei 1750 N mm

5 - 8 % bei 1500 N mm"²

Dabei ist zu beobachten, dass die Anlasszeit je nach dem Kaltverformungsgrad des Ausgangsmaterials nicht gleichlang ist um die höchst erreichbare Zugfestigkeit zu erreichen. Es wurden die folgenden Zeiten festgestellt bei 390⁰C:

30 % Kaltverformt 13 Stunden bei 390⁰C 60 % Kaltverformt 9 Stunden bei 390^oC 90 % Kaltverformt 1,5 Stunden bei 390⁰C

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Erfahrungsgemäss ist ab ca. 20 - 30 % Kaltverformung die höchst erreichbare Zugfestigkeit nicht mehr von dem Kaltverformung sgrad des Ausgangsmaterials abhängige Ohne Kaltverformung lässt sich eine Festigkeit bis zu 1300 bis maximal 1600 N mm" erreichen.

Diese Eigenschaften der neuen Legierung sind wesentlich besser als die entsprechenden Eigenschaften der bisher bekannten ternären bzw. quaternären Neusilber-Legierungen sowie der vorbekannten aushärtbaren Cu-Be~Legierungen. So weist.zum Beispiel die nicht aushärtbare ternäre Neusilber-Legierung mit 62 % Cu - 18 % Ni und 20 % Zn, die vorzugsweise als Federwerkstoff verwendet wird, im kaltverformten Zustand eine minimale Festigkeit von

.. 2
nur 610 N mm und eine mind. Dehnung von nur 1 % auf. Die aushärtbare Cu-Be-Legierung mit der Zusammensetzung 1,8 - 2,1 % Be, Co ■+ Ni φ Fe^O,2 - 0,6 Jf, Rest Cu, die vorzugsweise ebenfalls als Federwerkstoff verwendet wird, weist im voll ausgehärteten Zustand eine Festigkeit von nur 1500 N mm und eine Bruchdehnung von nur 1 % auf.

Die sehr hohe Festigkeit der ausgehärteten, kalt verformten, neuen Legierung ist durch die Ausscheidung unterhalb ca. 550⁰C der schon erwähnten tetragonalen Phase und, falls die neue Legierung Be enthält, noch durch die Ausscheidung der ebenfalls schon erwähnten intermetallischen Phase bedingt.

Die hohe Festigkeit bleibt bei ausgehärteten Werkstücken aus der erfindungsgemässen Legierung bis zu Temperaturen von 200 - 250⁰C erhalten, während bei Werkstücken, beispielsweise Federn, aus der Cu Ni 18 Zn 20-Neusilber-Legierung die Festigkeit schon nach verhältnismässig kurzzeitiger Erwärmung auf 250⁰C um 7 % - 15 % gegenüber der Anfangsfestigkeit abnimmt.

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A2.

Die neue Legierung weist noch folgende physikalische Eigenschaften auf, wobei in Klammer die entsprechenden Werte der bekannten Legierung Cu Ni 18 Zn 20 angegeben sind:

Elektrische Leitfähigkeit:

geglüht: 2,7 - 2,9 ' 10⁶ til"¹ in'¹ (3 - 3,5 * 1O⁶IfT¹ m"¹)

30 - 90 % kalt verformti 2₃4 - 2,7 ΙΟ⁶ ΏΓ¹ m"¹ ausgehärtet: 30 - 90 % kalt verfomt, bei 390⁰C vergütet: 2,7 - 2,9 * 10⁶ ß"¹ m"¹

Durch "Ubervergütung" kann die elektrische Leitfähigkeit noch um ca. 50 % erhöht werden.

Ε-Modul:

seclüht und kalt verformt: ca. 1.1 * 10^J ..

(1,25 - 1,35 * 10

ausgehärtet, 30 - 90 % kalt verformt, bei 39O°C vergütet: ca. 1,2 - 1,3 * ΙΟ⁵ Ν mm"².

Magnetismus: nicht magnetisch
Dichte: 8,08 kg/dm³, (8,7 kg/dm³)

Bei Werkstücken aus einer modifizierten Legierung, nämlich einer Legierung, bei welcher ein Teil des Ni-Gehalts durch Co ersetzt wurde und die die folgende Zusammensetzung aufweist:

40	,8	%	Cu	709883/0608
24		%	Zn
20		%	Ni
1		%	Co
14	,10	%	Mn
0	,10	%	Be
0	%	SE

sind bei gleicher mechanischer und thermischer Behandlung Zugfestigkeiten von I850 N mm" und mehr gemessen worden.

Bei Werkstücken aus einem dritten Legierungsbeispiel mit der Zusammensetzung

23	,8	%	Zn	Mn
2		%	Sn	Be
20		%	Ni	SE
1		%	Co	Cu
	14		%
	0.	,05	%
		► 05	%
	Rest

wurden ähnliche Werte gemessen.

Die Anlaufbeständigkeit der neuen Legierung in der Luft ist deutlich besser als diejenige der vorbekannten ternären- bzw. quaternären Neusilber-Legierungen und als diejenige der ebenfalls vorbekannten Cu-Be-Legierungen.

Das Anlaufen in 3 JSiger Natriumchlor id-Lösung, bei ca. 4o°C, ist nur gering gegenüber dem Anlaufen der vorbekannten Vergleichs-Legierungen.

Im gesättigten Ammoniak-Dampf ist die neue Legierung absolut nicht spannungs-risskorrosionsanfällig.

Eine Oberflächenbehandlung durch galvanische Überzüge (Verchromung, Vernickelung, Versilberung, Vergoldung) ist für sehr viele Anwendungsfälle nicht nötig, da sowohl die Anlaufbeständigkeit wie die natürliche Farbe keine derartigen Behandlungen bedingen.

Die neue Legierung lässt sich weich- bzw. hartlöten und auch schweissen. Kurzzeitige Verarbeitungstemperaturen unter - 400°C führen zu keiner Entfestigung der kaltverformten

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Jf-

bzw. ausgehärteten Teile.

Da die Festigkeits- und Federungseigenschaften der neuen Legierung 1,8-3 mal höher sind als die entsprechenden Eigenschaften der bekannten Neusilber-Legierungen im allgemeinen und der Cu Ni 18 Zn 20 Neusilber-Legierung, die vorzugsweise als Federwerkstoff verwendet wird, und ca. 1,2 - 1,3 mal höher als die entsprechenden Cu-Be-Legierungen, die ebenfalls vorzugsweise als Federwerkstoffe verwendet werden, lässt sich die neue Legierung besonders gut für die Herstellung von Federn aller Art sowie auch für die Herstellung elektrischer Kontaktteile verwenden.

Wegen ihrer ausgezeichneten Kaltverformbarkeit ist die Legierung von besonderer Bedeutung für die Anfertigung durch beispielsweise Walzen bzw. Rollen, Ziehen, Tiefziehen und Schmieden von komplizierten Profilen oder Teilen, die nachträglich gehärtet werden können.

Da die Duktilität der neuen Legierung besonders hoch ist, eignet sie sich für das Stanzen von komplizierten Teilen, die nach der Fertigverarbeitung noch ausgehärtet werden können, wie z.B. für Rohlinge für Sicherheitsschlüssel, Uhrengehäuse oder Ankergabeln und Zahnräder für Uhrwerke. Die hohe Festigkeit und Duktilität der neuen Legierung im voll gehärteten Zustand machen diese Legierung besonders geeignet für viele Uhrenteile, die ausserdem auch abriebfest sein sollen und nicht magnetisch sein müssen, wie z.B. Wellen, Unruhachsen, Triebfedergehäuse, Uhrengehäuse und für zahlreiche Teile der Feinwerktechnik und des Apparatebaues.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Aushärtbare, dem Neusilber ähnliche Cu-Zn-Ni-Mn-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält

36 - 44 % Cu

21 - 28 % eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In,

mit der Einschränkung, dass Sn + In höchstens

10 % betragen,
18 - 25 % eines oder mehrerer der Elemente Ni, Co,

mit der Einschränkung, dass der Co-Gehalt

höchstens 5 % beträgt, 10 - 18 % Mn
bis zu 0,5 % eines oder mehrerer der Elemente Be, SE

(= seltene Erden), mit der Einschränkung,

dass -weder der Be-Gehalt noch der SE-Gehalt ,-«„A, mehr als 0,3 % beträgt,

sowie als^xidationselemente dienende Zusätze aus der Gruppe Li, Mg, Ca, Ti, und als übliche Verunreinigung Pe.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden sind:

38 - 42 % Cu

23 - 26,5 % eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In 19,5 - 22,5 % eines oder mehrerer der Elemente Ni, Co 12 - 16 % Mn

0,05 - 0,4 % eines oder mehrerer der Elemente Be, SE.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbestandteile in folgenden Verhältnissen vorhanden sind:

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ORiQiNAL JNSPE'

2635347

24,8 % eines oder mehrerer der Elemente Zn, Sn, In

21 % eines oder mehrerer der Elemente Ni + Co

Ik % Mn

0,2 % Be + SE

Rest Cu

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Einrelchfertlg zur
Weiterleitung erhalten 3

Patentanwälte 2835947

Dipl-Ing. H Lesser

OFiül
4. Verwendung einer - aashärtbaren, dem !Neusilber ähnlichen Cu-Zn-Ni-Mn-JLegierung, die folgende Bestandteile enthält

36 -44 $, vorzugsweise 38 - 42 % Cu₃ 21 - 28 %₉ vorzugsweise 23 - 26,5 %₃ speziell 24,8 %

eines oder mehrerer der Elemente Zn₅ Sn₃ In₉ mit der Einschränkung, dass Su + In höchstens 10 % betragen₃

18 - 25 %₉ vorzugsweise 19,5 - 22,5 %₃ speziell 21 % eines oder mehrerer der Elemente Ui₉ Co₃ mit der Einschränkung_a dass der Co-Gehalt höchstens 5 % beträgt,

10 - 18 %₉ vorzugsweise 12 - 16 %, speziell 14 % IM₉ bis zu 0,5 %_Λ vorzugsweise 0.05 - 0,4 %₃ speziell 0,2 % eines oder mehrerer der Elemente Be₃ SE {= seltene Erden), mit der Einschränkung, dass weder der Be-Gehalt noch der SE-Gehalt mehr als 0,3 % beträgt,

sowie als Desoxidationselemente dienende Zusätze aus der Gruppe Li, Mg, Ca, Ti, und als übliche Verureinigung Fe₃ für die Herstellung von Bestandteilen der Feinwerktechnik,
5. Verwendung naeii Anspruch 4 für die Herstellung von Bestandteile von Uhren,
6. Verwendung nach Anspruch 5 für die Herstellung von Uhrgehäusen,
7. Verwendung nach Anspruch 5 für die Herstellung von Uhrwerkszahnrädern,

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8. Verwendung nach Anspruch 5 für die Herstellung von Ankergabeln von Uhrwerken.
9. Verwendung nach Anspruch 5 für die Herstellung von Feder gehäusen von Uhrwerken.
10. Verwendung nach Anspruch 5 für Wellen und Achsen von Uhrwerken.
11. Verwendung nach Anspruch 4 für die Herstellung von Federn.
12. Verwendung nach Anspruch 4 für die Herstellung von elektrischen Kontaktteilen.

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