DE4226692A1

DE4226692A1 - Age-hardenable copper@ alloy - contains aluminium@, nickel@, silicon@, titanium@ and/or zirconium@, giving improved high-temp. tensile strength and electroconductivity

Info

Publication number: DE4226692A1
Application number: DE19924226692
Authority: DE
Inventors: Fumio Watanabe; Takuro Iwamura; Hiroaki Nakayama
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1991-08-13
Filing date: 1992-08-12
Publication date: 1993-03-04
Also published as: JPH05105978A

Abstract

Age-hardenable Cu-based alloy contg. (in wt. %) 2-10 Ni, 0.2-1 Al, 0.2-0.8 Si, 0.05-0.6 Ti and/or Zr, with the balance being cu and random impurities. Pref. additional components are 0.1-1 wt. % Fe and/or Co and/or Mn. ADVANTAGE - Improved high-temp. tensile strength and thermal conductivity. In an example, Cu-based alloys are mfd. by heating the components in graphite crucibles in high-frequency smelting furnaces and casting blocks 65 mm in diameter and 220 mm in length, which are then subjected to hot moulding and rolling at 850 deg. C, thereby producing sheets 20 mm thick which are aged by heating at 480-520 deg. C for 5 hours. Tensile strength and Vickers hardness were measured at 300 deg. C and electrical conductivity at room temp. (20 deg. C). High-temperature hardness is comparable to that acheived in prior art processes, whereas high-temp. tensile strength and electrical conductivity are greatly improvedenc

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ausscheidungshärtbare Le gierungen auf Kupferbasis, die nicht nur eine hohe Festigkeit in einer heißen Verbrennungsgasatmosphäre Zeigen, sondern auch über eine zufriedenstellende Hochtemperatur-Abnutzungsbestän digkeit und eine gute thermische Leitfähigkeit verfügen und deshalb als Materialien für Ventilsitze, Ventilführungen, usw. in Verbrennungsmotoren (Verbrennungskraftmaschinen), die diese Eigenschaften aufweisen müssen, in zufriedenstellender Weise eingesetzt werden können.The present invention relates to precipitation-hardenable Le copper-based alloys that are not only high strength Show in a hot combustion gas atmosphere, but also about a satisfactory high temperature wear resistance and good thermal conductivity, and therefore as materials for valve seats, valve guides, etc. in internal combustion engines (internal combustion engines) that these Must have properties in a satisfactory manner can be used.

Eine Klasse von herkömmlichen Legierungen auf Kupferbasis, die Hochtemperatur-Festigkeit, Hochtemperatur-Abnutzungsbeständig keit und Wärmeleitfähigkeit zeigen, schließt die in der JP-A-43 134/1978 beschriebene ein. Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Legierung auf Kupferbasis enthält 6 bis 13% Alu minium (alle im nachfolgenden angegebenen Prozentsätze bezie hen sich auf das Gewicht), 3 bis 20% Nickel, 1 bis 10 Kobalt, 0,3 bis 7% Mangan, 0,05 bis 1% Chrom und 0,05 bis 2% Silicium, wobei sich der Rest aus Kupfer und zufälligen Verunreinigungen zusammensetzt. Es ist bekannt, daß diese Legierung als Materi al für Ventilsitze und andere strukturelle Teile für Kraft fahrzeugmotoren und andere Typen von Verbrennungsmotoren, die die soeben erwähnten Eigenschaften aufweisen müssen, geeignet ist.A class of conventional copper-based alloys that High temperature resistance, high temperature wear resistant and thermal conductivity show that includes in the JP-A-43 134/1978. The in this release The copper-based alloy described contains 6 to 13% aluminum minium (all percentages given below refer to weight), 3 to 20% nickel, 1 to 10 cobalt, 0.3 to 7% manganese, 0.05 to 1% chromium and 0.05 to 2% silicon, the rest being copper and accidental impurities put together. It is known that this alloy as Materi al for valve seats and other structural parts for power vehicle engines and other types of internal combustion engines that must have the properties just mentioned is.

Die in jüngster Zeit erzielten Fortschritte bei den Bemühun gen, leichtere Verbrennungsmotoren mit höheren Geschwindigkei ten zu betreiben, um eine höhere Leistung zu erzeugen, sind bemerkenswert; als Ergebnis davon besteht ein starkes Bedürf nis, die Wanddicke zu reduzieren und die thermische Leitfähig keit (oder Abkühlbarkeit) von strukturellen Teilen, wie z. B. Ventilsitzen und Ventilführungen, in Verbrennungsmotoren zu verbessern. Die in der JP-A-43 134/1978 vorgeschlagenen Legie rungen auf Kupferbasis und andere herkömmliche Legierungen auf Kupferbasis derselben Klasse sind hinsichtlich der Hochtempe ratur-Abnutzungsbeständigkeit zufriedenstellend, nicht jedoch hinsichtlich Hochtemperaturfestigkeit und thermischer Leitfä higkeit; somit erfüllt keine der existierenden Legierungen auf Kupferbasis die gestellten Anforderungen vollständig.Recent progress in efforts has been made lighter internal combustion engines with higher speeds operating in order to generate a higher output remarkable; as a result, there is a strong need nis to reduce the wall thickness and the thermal conductivity speed (or coolability) of structural parts, such as. B. Valve seats and valve guides, in internal combustion engines too improve. The alloy proposed in JP-A-43 134/1978 copper-based and other conventional alloys Copper bases of the same class are in terms of high temperature Resistance to wear and tear is satisfactory, but not with regard to high temperature resistance and thermal conductivity ability; thus none of the existing alloys meet Copper base completely meet the requirements.

Es wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um eine Legierung auf Kupferbasis zu entwickeln, die nicht nur hin sichtlich ihrer Hochtemperatur-Abnutzungsbeständigkeit, son dern auch hinsichtlich ihrer Hochtemperatur-Festigkeit und thermischen Leitfähigkeit verbessert ist. Als Ergebnis wurde eine ausscheidungshärtbare Legierung auf Kupferbasis entwickelt, die 2 bis 10% Nickel, 0,2 bis 1% Aluminium, 0,2 bis 0,8% Silicium, 0,05 bis 0,6% von entweder Titan oder Zirkon oder beiden und gegebenenfalls 0,1 bis 1% wenigstens eines Elements aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Mangan enthält, wobei sich der Rest auf 100% aus Kupfer und zufälligen Verunreinigungen zusammensetzt. Diese Legierung zeigt eine Hochtemperatur-Ab nutzungsbeständigkeit, die derjenigen von herkömmlichen Legie rungen auf Kupferbasis, wie sie in der JP-A-43 134/1978 be schrieben sind, vergleichbar ist, während sie eine bei weitem bessere Hochtemperatur-Festigkeit und thermische Leitfähigkeit aufweist.Extensive research has been carried out to determine a To develop a copper-based alloy that doesn't just work visible their high temperature wear resistance, son also with regard to their high-temperature strength and thermal conductivity is improved. As a result developed a precipitation hardenable copper-based alloy, the 2 to 10% nickel, 0.2 to 1% aluminum, 0.2 to 0.8% Silicon, 0.05 to 0.6% of either titanium or zircon or both and optionally 0.1 to 1% of at least one element contains from the group iron, cobalt and manganese, where the rest 100% copper and random impurities put together. This alloy shows a high temperature ab durability that of conventional alloy copper-based stanchions, as described in JP-A-43 134/1978 are comparable, while being one by far better high-temperature strength and thermal conductivity having.

Die vorliegende Erfindung beruht auf den obigen Erkenntnissen. Im folgenden wird die kritische Bedeutung der obigen Zusammen setzung der Legierung auf Kupferbasis gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert.The present invention is based on the above findings. The following is the critical meaning of the above together setting of the copper-based alloy according to the present Invention explained in detail.

a) Nickel and silicon

Diese Komponenten tragen dazu bei, daß eine bessere Hoch temperatur-Abnutzungsbeständigkeit erhalten wird, indem wäh rend der Alterung intermetallische Verbindungen auf Basis die ser Elemente ausgeschieden werden. Falls der Nickelgehalt unter 2% liegt oder derjenige an Silicium unter 0,2% ist, sind die Mengen dieser intermetallischen Verbindungen, die in fein teiliger Form in der Matrix ausgeschieden werden, zu gering, um die gewünschte Hochtemperatur-Abnutzungsbeständigkeit zu gewährleisten. Wenn andererseits der Nickelgehalt 10% oder der Siliciumgehalt 0,8% übersteigt, vermindert sich die thermische Leitfähigkeit der Legierung. Somit sind die Konzentrationen von Nickel und Silicium auf die oben angegebenen Bereiche von 2 bis 10 bzw. 0,2 bis 0,8% beschränkt.These components help create a better high Resistance to temperature wear is obtained by selecting intermetallic compounds based on aging elements are eliminated. If the nickel content is below 2% or that of silicon is below 0.2% the amounts of these intermetallic compounds in fine partial form in the matrix, too small, to the desired high temperature wear resistance guarantee. On the other hand, if the nickel content is 10% or Silicon content exceeds 0.8%, the thermal decreases Conductivity of the alloy. So the concentrations are of nickel and silicon to the ranges of above 2 to 10 or 0.2 to 0.8% limited.

b) aluminum

Die Aluminiumkomponente löst sich in der Matrix, um eine höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu liefern. Falls der Aluminiumgehalt unter 0,2% liegt, kann die gewünschte Hochtemperaturfestigkeit nicht gewährleistet werden. Falls andererseits der Aluminiumgehalt 1% übersteigt, vermindert sich die thermische Leitfähigkeit, die im allgemeinen durch den Gehalt der in der Matrix gelösten Bestandteile bestimmt wird, unweigerlich. Somit ist der Aluminiumgehalt auf den Bereich von 0,2 bis 1% beschränkt.The aluminum component dissolves in the matrix by one deliver higher strength at elevated temperatures. If the aluminum content is below 0.2%, the desired High temperature resistance cannot be guaranteed. If on the other hand, the aluminum content exceeds 1% the thermal conductivity, which is generally due to determines the content of the components dissolved in the matrix will, inevitably. Thus the aluminum content is on the Limited range from 0.2 to 1%.

c) titanium and zircon

Diese Komponenten haben die Fähigkeit, unter der Bedin gung, daß auch Nickel, Aluminium und Silicium vorhanden sind, eine bessere Abnutzungsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöh ten Temperaturen zu liefern. Falls der Gehalt eines oder bei der Elemente unter 0,05% liegt, werden die beabsichtigten Wirkungen nicht erzielt. Falls andererseits der Gehalt an einem oder beiden Elementen über 0,6% liegt, verschlechtert sich die Heißverarbeitbarkeit der Legierung. Somit ist der Gehalt an Titan und/oder Zirkon auf den Bereich von 0,05 bis 0,6% beschränkt.These components have the ability under the Bedin that nickel, aluminum and silicon are also present, better wear resistance and strength with increased to deliver temperatures. If the salary is one or at of the elements is less than 0.05%, the intended ones Effects not achieved. If, on the other hand, the content of one or both elements is above 0.6%, deteriorates the hot workability of the alloy. Thus the Content of titanium and / or zircon in the range from 0.05 to Limited to 0.6%.

d) iron, cobalt and manganese

Diese Komponenten sind hinsichtlich einer weiteren Ver besserung der Hochtemperaturfestigkeit wirksam und können demgemäß gegebenenfalls und nach Bedarf in der erfindungsge mäßen Legierung vorhanden sein. Falls der Gehalt an irgend einem (oder allen) dieser Elemente unter 0,1% liegt, wird der beabsichtigte Effekt nicht erzielt. Falls andererseits der Gehalt an irgendeinem (oder allen) dieser Elemente 1% über steigt, nimmt die Zähigkeit der Legierung ab. Somit sollte der Gehalt an Eisen und/oder Kobalt und/oder Mangan - wenn vorhan den - im Bereich von 0,1 bis 1% liegen.These components are related to another ver effective and can improve the high temperature strength accordingly if necessary and as required in the fiction alloy. If the content of any one (or all) of these elements is below 0.1%, the intended effect not achieved. If, on the other hand, the Content of any (or all) of these elements 1% above increases, the toughness of the alloy decreases. So the Iron and / or cobalt and / or manganese content - if available the - are in the range of 0.1 to 1%.

Das folgende Beispiel soll die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen, ohne deren Umfang jedoch zu beschränken.The following example is intended to further illustrate the present invention illustrate, but without restricting their scope.

example

Schmelzen von Legierungen auf Kupferbasis mit den in den Ta bellen 1 und 2 angegebenen Zusammensetzungen wurden in einem Graphit-Schmelztiegel, der sich in einem Hochfrequenz-Schmelz ofen befand, hergestellt und zu Gußblöcken mit einem Durch messer von 65 mm und einer Länge von 220 mm gegossen. Die Gußblöcke wurden einer Warmformgebung und Warmwalzung, die jeweils bei 850°C durchgeführt wurden, unterzogen, um Platten mit einer Dicke von 20 mm herzustellen, die gealtert wurden, indem man sie 5 Stunden bei vorbestimmten Temperaturen im Bereich von 480 bis 520°C hielt. Als Ergebnis wurden feine intermetallische Verbindungen in der Matrix ausgeschieden, was erfindungsgemäße Legierungsproben 1 bis 20 und Proben 1 und 2 gemäß Stand der Technik lieferte. Melting of copper-based alloys with the compositions given in Tables 1 and 2 were produced in a graphite crucible, which was located in a high-frequency melting furnace, and into casting blocks with a diameter of 65 mm and a length of 220 mm poured. The ingots were subjected to hot forming and hot rolling, each carried out at 850 ° C, to produce sheets 20 mm thick, which were aged by holding them at predetermined temperatures in the range of 480 to 520 ° C for 5 hours . As a result, fine intermetallic compounds are precipitated in the matrix, which alloy samples according to the invention 1 to 20 and Samples 1 and 2 provided in accordance with the prior art.

Tabelle 1 Table 1

Tabelle 2 Table 2

Um die Hochtemperatur-Festigkeit, Hochtemperatur-Abnutzungs beständigkeit und thermische Leitfähigkeit zu beurteilen, wurde jede der Proben der Legierungen auf Kupferbasis hin sichtlich der Zugfestigkeit und der Vickers-Härte bei 300°C sowie hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit (% IACS) bei Raumtemperatur (20°C) vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabel le 3 gezeigt. To assess high temperature strength, high temperature wear resistance, and thermal conductivity, each of the copper-based alloy samples was tested for tensile strength and Vickers hardness at 300 ° C, and electrical conductivity (% IACS) at room temperature (20 ° C) measured. The results are shown in Table 3 .

Tabelle 3 Table 3

Die in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Daten verdeutlichen, daß die erfindungsgemäßen Legierungsproben auf Kupferbasis eine Hochtemperatur-Härte zeigten, die derjenigen der Proben 1 und 2 des Standes der Technik vergleichbar war, während sie eine viel bessere Hochtemperatur-Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit zeigten.The data shown in Tables 1 through 3 demonstrate that the copper-based alloy samples of the present invention exhibited high temperature hardness comparable to that of prior art samples 1 and 2 while showing much better high temperature tensile strength and electrical conductivity.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, verfügen die erfindungsgemäßen ausscheidungshärtbaren Legierungen auf Kupferbasis über eine herausragende Hochtemperatur-Festigkeit, Hochtemperatur-Härte (Hochtemperatur-Abnutzungsbeständigkeit) und thermische Leitfähigkeit. Wenn diese Legierungen als Mate rialien für Ventilsitze, Ventilführungen oder andere Teile von Verbrennungskraftmaschinen, die diese Eigenschaften aufweisen müssen, eingesetzt werden, ist es nicht nur möglich, die Wand dicke dieser Teile zu verringern, sondern es wird auch ihre Abkühlbarkeit ausreichend verbessert, um brauchbare Maschinen baueigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit, über merklich ver längerte Zeitspannen ein ausgezeichnetes Verhalten zu zeigen, zu erzielen.As can be seen from the above description the precipitation hardenable alloys according to the invention Copper base with outstanding high-temperature strength, High temperature hardness (high temperature wear resistance) and thermal conductivity. If these alloys as mate materials for valve seats, valve guides or other parts of Internal combustion engines that have these properties need to be used, it is not only possible the wall reduce thickness of these parts, but it will also be theirs Coolability improved enough to make usable machines construction properties, such as B. the ability to ver to show excellent behavior over extended periods of time, to achieve.

Claims

1. Precipitation-hardenable copper-based alloy, characterized in that it contains 2 to 10% by weight of Ni, 0.2 to 1% by weight of Al, 0.2 to 0.8% by weight of Si and 0.05 contains up to 0.6% by weight of Ti and / or Zr, the remainder being composed of 100% of Cu and random impurities.

2. Alloy according to claim 1, characterized in that they additionally 0.1 to 1 wt .-% Fe and / or Co and / or Mn contains.