DE655931C

DE655931C - Verguetbare Kupfer-Nickel-Legierung

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Publication number: DE655931C
Application number: DEV29844D
Authority: DE
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Priority date: 1933-08-17
Filing date: 1933-08-17
Publication date: 1938-01-27

Description

Vergütbare Kupfer-Nickel-Legierung Die Verwendung von Kupfer- oder Nickel-Legierungen als Konstruktionsmaterial ist bisher niemals ernsthaft in Erwägung gezogen worden, da einerseits diese Legierungen wegen ihrer zu geringen Festigkeit und andererseits wegen ihres hohen Preises mit Baustählen nicht konkurrieren konnten. Man hat in vielen Fällen, wo die Rostsicherheit bzw. die Indifferenz des Baustoffes gegen chemische Ängriffe von großer Bedeutung ist, lieber billige Stahlteile verwendet, die nach einigen Jahren unbrauchbar wurden, als daß man teuere eisenfreie Legierungen benutzte, aus denen die betreffenden Teile dann wegen der geringeren Festigkeit der Legierung verglichen mit Stahl viel kräftiger ausgebildet «=erden mußten. Die Rechnung ist hier offenbar zugunsten des Stahles ausgefallen, trotzdem die Kosten für das Erneuern der Teile nicht gering sind. .
Nach dem Auftreten der nichtrostenden Stähle glaubte man, daß durch weitgehende Verwendung dieses Materials die ungeheuren Verluste, die ständig durch den Rostfraß entstehen, beträchtlich vermindert werden könnten. Leider haben aber die nichtrostenden Stähle wegen ihres hohen Preises und auch wohl wegen ungeeigneter Eigenschaften nur geringe Verwendung als Konstruktionsmaterial finden können. Nur in solchen Fällen, wo die hervorragende Beständigkeit dieser Stahlsorten gegen chemische Stoffe von Bedeutung ist, werden sie viel benutzt. In gewissen vergütbaren Nickel-Kupfer-Legierungen ist nun ein % Material gefunden worden, das bei richtiger Zusammensetzung und richtiger Warmbehandlung mechanische Eigenschaften besitzt, wie sie nur von den besten Stahlsorten erreicht werden. Da außerdem das Material in jeder Hinsicht absolut rostfrei ist und gerade die billigen Legierungen die mechanisch wertvollsten sind, so ergibt sich für diese neuen Legierungen ein weites Anwendungsgebiet.
VergütbareNickel-Kupfer-Legierungen sind wohl schon bekannt, und zwar hauptsächlich solche, bei denen die Vergütbarkeit durch einen Zusatz von Aluminium, Beryllium oder Silicium erzielt wurde. Nirgends ist aber auf die Möglichkeit hingewiesen worden, daß derartige Legierungen an Stelle von Stahl als Konstruktionsmaterial verwendet werden können. Der Grund hierfür ist offenbar, daß man bisher nur solche Legierungen kennt, die wegen des hohen Nickelgehaltes zu teuer sind, oder solche, die keine genügend große Festigkeit besitzen. Auch die große Hitzebeständigkeit einiger dieser Legierungen ist nicht erkannt worden.
Die wertvollsten und zugleich die billigsten dieser vergütbaren Nickel-Kupfer-Leglerungen sind jedoch die eisen- und aluminiumhaltigen, und zwar solche, die bei einem Nickelgehalt von io bis 40'/o einen verhältnismäßig hohen Eisengehalt von 3; bis 2o o@o neben einem Aluminiumgehalt von o, i bis 6 0@o besitzen. In besonderen Fällen können den Legierungen Mn oder Si zugegeben werden. Bei den Legierungen mit größerem Nickelgehalt ist ein Magnesiumzusatz von o, i bis 10/0 von Vorte@jWl: Es sind zwar bereits vergütbare Kupfee'#Nickel-Legierungen mit einem gewissen Eisen' und Aluminiumgehalt bekanntgeworden, je-- doch betrug bei diesen Legierungen der Gesamtgehalt an Nickel und Eisen nicht mehr als etwa io 0J`0. Demgegenüber beträgt bei den Legierungen gemäß der Erfindung der Mindestgehalt an den genannten beiden Metallen 13 0/0, und auf diesen Unterschied ist es zurückzuführen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen schon durch Vergütung allein eine wesentlich höhere Härte und Festigkeit erhalten als die bekannte Legierung durch Vergütung und anschließende Kaltverformung.

Die Zusammensetzung der Legierungen schwankt je nach dem Verwendungszweck. Sie liegt jeweils innerhalb der folgenden Gehaltsgrenzen der einzelnen Elemente:

Nickel : . . . . ... . . ..: . . io bis 40 0/0,

Aluminium . . . . . . . . . . . 0,i - 60/0,

Eisen . . . . . . . . : . 3 - 200/0,

Mangan . . . . . . . . .. . 0,5 - 10 0/0,

Silicium ............. o,i - 10/0,

Magnesium . . . . : . . . . o, i - 1 0/0,

Kupfer ............ Rest.

Die Wirkung der verschiedenen Zusätze aufeinander und auf die Eigenschaften der gewalzten Legierungen, namentlich im abgeschrekten, weichen und im vergüteten, harten Zustand, ist dabei wie folgt: i. Einflüß des Nickelgehaltes Die Prob-,n wurden in Form von 3 mm starken Blechen untersucht, die aus Gußplatten durch Kaltwalzen erhalten worden waren.

Es sind die verschiedensten Temperaturen beim Abschrecken und Anlassen angewendet worden. Als charakteristisch sollen hier nur die Härtewerte angegeben werden, wie sie im weichsten Zustand erhalten werden, sowie die entsprechenden Werte von Proben im härtesten Zustand: Ein hoher Nickelgehalt wirkt der Vergütbarkeit entgegen. Bei 63 °% Ni, = 0i°o Fe und 2 0r0 Al, Rest Cti erhält man nur eine schwache Vergütung. Die Härten der bei verschiedenen Temperaturen angelassenen Proben liegen alle zwischen log und 107 nach Brinell. Mit fallendem Nickelgehalt steigt 'ljei sonst gleicher Zusammensetzung die Härte bei der Vergütung an. Allerdings muß ein gewisser Maximalnickelgehalt unterschritten werden. Die Spanne zwischen dem niedrigsten Härtegrad im weichen und dein höchsten Härtegrad im harten Zustand wird dann immer größer. Bei 40 % Nickel sind die Zahlen 99,5 und 114, bei 35 0/0 Nickel aber bereits 86;8 und 237. Geht der Nickelgehalt auf 2o 0J'o zurück, so erhält man 8i:,3 und 237 und bei nur io 0/0 Nickel sogar 66,2 und 26o. Die letzte Probe enthält indessen kein Eisen. 2. Der Einfluß des Aluminiums Im allgemeinen kann man sagen, daß der größte Aluminiumgehalt auch die größte Härtbarkeit bewirkt.
Bei geringen Nickelgehalten von io bis 15 0% ist der größte Aluminiumgehalt von 6 0% zulässig. Mit steigendem Aluminiumgehalt muß auch der Nickelgehalt zurückgehen, da sonst die Legierung zu spröde wird. Während sich z. B. eine Legierung mit 3 0j0 Aluminium und io 0% Nickel noch gut verarbeiten läßt, kann eine Legierung mit 3 °(o Aluminium und 2o °/0 Nickel bereits nicht mehr kalt gewalzt werden. Von einem Nickelgehalt von. 2o0/0 aufwärts muß also der Aluminiumgehalt bereits unter 3 0/0 liegen.
3. Der Einfluß des Eisens Das Eisen übt in verschiedener Hinsicht einen günstigen Einfluß auf Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen Eigenschäften der vergütbaren Nickel-Kupfer-Legierungen mit Aluminiumzusätzen aus.
Während, wie erwähnt, eine Legierung aus 20 0/0 Nickel, 3 0J'o Aluminium, Rest Kupfer sich nicht kalt wälzen läßt, wird <huch den Zusatz von 5 bis i o0,'0 Eisen die Legierung nicht nur walzbar, sondern sie erhält durch diesen Eisenzusatz im weichen sowohl als auch im harten Zustand ganz vorzügliche Werte.

Sie ergeben sich: aus nachstehender Tabelle:

Proben 3 Stunden bei qoo° geglüht Proben nach Abschrecken

und in Wasser abgeschreckt Stunden bei 7oo° geglüht

Ni AI Fe

Härte Festigkeit Dehnung Härte Festigkeit

Dehnung

nach Br. kgfmin= /@ nach Br. kg(-m= j"

20 3 5 84,9 49,1 48,5 275 85,4 9,3

20 3 10 86,8 45,4 58,5 265 78,5 4,3

Rest Cu.

Wenn bei diesen Legierungen nach (lern Abschrecken noch eine Kaltverformung um etwa 300f0 vorgenommen und hierauf nochmals bei. 700' C angelassen wird, so erhält maii bei der Legierung mit 5 % Eisen

Härte Festigkeit Dehnung

291 98,2 lcg/tnm2 und 6,7 0)'0

bei der Legierung mit io % Eisen

Härte Festigkeit Dehnung

28o ioo leg/mm2 und io 0/'o.

Diese Werte werden noch übertroffen durch Ermäßigung des Nickelgehaltes von 20 auf r50;'0 bei 3% Aluminium und io% Eisen. Die letzte Legierung ergab die Höchstwerte, die an wirtschaftlich verwendbaren Kupferlegierungen überhaupt je erzielt worden sind.

Die Härte ergab 328 nach Brinell und die Festigkeit 115 kg/mm2.
Die Dehnung, die bei solchen Zahlen naturgemäß klein sein muß, betrug 4. 0/0. -.. Einfluß des Mangans Das Mangan setzt im allgemeinen die Vergütbarkeit der bisher behandelten Legierungen herab, außerdem beeinträchtigt es die Walzbarkeit bei den Legierungen mit höherem Nickelgehalt, zumal wenn sein Anteil mehr als 8 % beträgt.
Von Vorteil ist es dagegen, wenn es den eisenfreien AI-NI-Cu-Legierungen zugesetzt wird. In diesen Legierungen erhöht es in einigen Legierungen die Dehnung auf über 50 070- 5. Einfluß des Siliciums Bei einigen der vorstehend beschriebenen Legierungen hat sich auch ein geringer Siliciumzusatz von 0,5 bis 1 % als zweckmäßig erwiesen, und zwar sowohl bei manganhaltigen als auch. bei manganfreien Legierungen.
Die Legierung aus 2o % Nickel, 2 % Aluminium, 5 % Eisen, 5 % Mangan und 0,5 % Silicium, Rest Kupfer hat im weichen Zustand eine Festigkeit von 54.,3 kg/mm2 und .17,8 0/0 Dehnung. Im harten Zustand werden erhalten: Festigkeit 95 kg/tnm°, Dehnung to 0/0, Härte 265 nach Brinell.
Eine tnanganfreie Legierung folgender Zusanrmensetzung: io % Nickel, 3 % Aluminium, 5 0/a Eisen, o,5 % Silicium, Rest Kupfer ergab im gewalzten und gehärteren Zustand: Festigkeit 98,6 kg/mm2, Dehnung io 0/0, Härte 295 nach Brinell. 6. Einfluß des :Magnesiums Ein Magnesiumzusatz erfolgt hauptsächlich bei Legierungen mit höherem Nickelgehalt zum Zweck der Desoxydation, er kann aber auch zur Erzielung eines -zusätzlichen Härtungseffektes verwendet werden.
Die Hitzebeständigkeit zeigt sich hauptsächlich bei den beschriebenen Legierungen, `die einen Aluminiumgehalt von über 3 % besitzen. Proben aus diesen Legierungen waren nach 3stündigem Glühen an der Luft bei 9oo° noch metallisch blank und besaßen nur ganz geringe Anlauffarben.
Auch die Korrosionsbeständigkeit ist relativ hoch.
Die Legierungen eignen sich demnach für alle solche Zwecke, wo neben starker mechanischer Beanspruchung Widerstandsfähigkeit gegen Hitze oder gegen den Angriff chemischer Stoffe verlangt werden. Gegenstände irgendwelcher Art können hierbei entweder aus dein weichen Material durch Tiefziehen usw. hergestellt und die fertigen Gegenstände dann vergütet werden, oder man verwendet besonders bei einfachen Teilen das bereits vergütete Material als Blech, Stange usw.
Aus dem obenerwähnten Einfluß der verschiedenen Legierungselemente ergibt sich, daß man für die Herstellung von harten, Korrosionsangriffen ausgesetzten Gegenständen, z. B. Schreibfedern, Wagenfedern, Schneidwerkzeugen usw., eine Legierung mit etwa io bis 3o0/0 Ni, z bis 60/0 A1, 3 bis 150;o Fe, o,i bis 1 % Si, Rest Cu verwenden soll. Für die Herstellung von hoher mechanischer Beanspruchung und Korrosionsangriffen ausgesetzten Teilen, z. B. Fahrradrahmen, Flugzeugteilen usw., eignen sich insbesondere Legierungen mit io bis 30 % Ni, 0,5 bis 6 % Al, 3 bis 20 % Fe, o,i bis 1 0/0 Si, Rest Cu. Wenn bei der Herstellung der Gegenstände, z. B. Kühlerverkleidungen, Karosserien u. dgl., durch Pressen bzw. Tiefziehen hohe Dehnung erforderlich ist, so verwendet man zweckmäßig eine Legierung aus io bis 30 % Ni, o,i bis 4 % Al, 3 bis 15 0/0 Fe, o,5 bis 5 0/0 Mn, Rest Cu. Für die Herstellung betriebsmäßig. hohen Temperaturen und Korrosionsangriffen ausgesetzter Gegenstände, z. B. Teilen chemischer Apparate, Kochgeschirre u. dgl., eignet sich besonders eine Legierung mit io bis 30 °/0 Ni, 3 bis 6 % Al, 3 bis 15 0/0 Fe, o,i bis i % Mg, Rest Cu. Die Legierungen mit io bis 4.o % Ni, io bis 2o % Fe, o,i bis 3 % Al, Rest Cu sind gut magnetisierbar und weisen dabei eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, sie können deshalb vorteilhaft zur Herstellung von den magnetischen Kreis bildenden Teilen von elektromagnetischen Apparaten verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Vergütbare Cu-Ni-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus io bis 4o °% Ni, ö,i bis 6 % Al, 3 bis 20 % Fe, Rest Cu besteht.
2. Legierung nach Anspruch i, dädurch@ gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis io 0/0 l\ w enthält.
3. Legierung nach Anspruch r, dadurch,' gekennzeichnet, daß sie o; i bis 1% Si enthält. q..
Legierung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie o,a bis 1 0/0 Mg enthält.
5. Vergütbare Legierung hoher Härte nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß sie aus io bis 30 0/0 Ni, 2 bis 6% Al, 5 bis 15 0/0 Fe und o,1 bis z Q/o Si; Rest Cu besteht.
6. Vergütbare Legierung hoher Festigkeit nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß sie aus io bis 30% Ni; 0,5 bis 6 % Al, 3 bis 2o 0% Fe und o,i bis 1 0/ö Si, Rest Cu besteht.
7. Vergütbare Legierung hoher Dehnung nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß sie aus io bis 30 0/0 Ni, o, i bis q.0% Al, 6 bis 15 0/0 Fe und o;5 bis 5 0% Mn, Rest Cu besteht.
8. Vergütbare Legierung hoher Hitzebeständigkeit nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet; daß sie aus io bis 30 0/Q Ni, 3 bis 6 % Al, 3 bis 15 % Fe und o,1 bis i 0/ö Mg, Rest Cu besteht. g. Vergütbare magnetisierbare Legierung nach Anspruch i bis 4., dadurch gekennzeichnet,.daß.sie aus io bis 4.00% Ni, 1 bis 3 0% Al, io bis 2o 0%-Fe, Rest Cu besteht. ' . fo: Verwendung der Legierung nach Anspruch 5 für die Herstellung von harten, Korrosionsangriffen ausgesetzten Gegenständen, z. B. Schreibfedern, Wagenfedern, Schneidewerkzeugen usw. i i. Verwendung der Legierung nach Anspruch 6 für die Herstellung von Gegenständen oder Teilen, welche gleichzeitig mechanischer Beanspruchung und Korrosionsangriffen ausgesetzt sind, z. B. Fahrradrahmen, Flugzeugteilen usw. i2. Verwendung der Legierung nach Anspruch 7 für die Herstellung von Korrosionsangriffen ausgesetzten Blechgegenständen, z. B. Kühlerverkleidungen, Karosserien usw. 13., Verwendung der Legierung nach Anspruch 8 für die Herstellung von betriebsmäßig hohen Temperaturen und Korrosionsangriffen ausgesetzten Gegenständen, z. B. Teilen chemischer Apparate, Kochgefäße usw. -14. Verwendung der Legierung nach Anspruch 9 für die Herstellung von den magnetischen Kreis von elektromagnetischen Apparaten bildenden Teilen.