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Kupfer-Kobalt-Eisen-Legierung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Legierung äuf Kupferbasis, die verbesserte mechanische, thermische und elektrische
Eigenschaften besitzt, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Legierung.
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Es sind schon verschiedene Metalle mit Kupfer legiert worden, um bessere
mechanische Eigenschaften zu erhalten, aber im allgemeinen zeigten sich diese Legierungen
gegenüber dem reinen Kupfer als unterlegen hinsichtlich der Leitfähigkeit für Wärme
und Elektrizität. Bei den bisherigen Legierungen auf Kupferbasis, die die gewünschte
Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit besitzen, ist es schwierig, ihre Eigenschaften
zu verdoppeln, da ein Härtebildner im allgemeinen als Legierungskomponente benutzt
wird und die Desoxydation der Elemente hierbei genauestens überwacht werden muß.
Der Härte-Bildner wird gewöhnlich leicht oxydiert und ist daher schwierig in flüssige
Lösung zu bringen.
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Um eine Legierung auf Kupferbasis herzustellen, die die gewünschte
mechanische Festigkeit und Wärme- sowie elektrische Leitfähigkeit besitzt, werden
der Kupferschmelze ausscheidungsfähige Metalle hinzugefügt, um eine Verbreitung
feiner Teilchen durch die Kupferbasis bei geeigneter Wärmebehandlung zu erhalten.
Erfindungsgemäß hat sich nun gezeigt, daB eine Legierung auf Kupferbasis, die
0,5 bis 5 °% von jedem der Metalle Eisen und Kobalt enthält, hervorragende
mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften besitzt.
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Zur Vorbereitung der Legierung können die Metalle Kobalt und Eisen
direkt der Kupferschmelze in geeigneter Form, z. B. als Pulver oder in Stücken,
hinzugefügt werden; da weder Kobalt noch Eisen im Vergleich
zu Kupfer
leicht oxydiert werden. Der prozentuale Anteil der einzelnen Komponenten muß während
der folgenden Wärmebehandlung im wesentlichen konstant gehalten werden, damit die
Komponenten nicht durch Oxydation an der Oberfläche der Legierung''4 v erlorengehen,
In der Praxis kann die Legierung durch Erhitzen einer Kupferschmelze, z. B: von
handelsüblichem Elektrolytkupfer, unter einer Kohledecke in einem Graphittiegel
und durch Hinzufügung des Kobalts und des Eisens in der geeigneten festen Form hergestellt
werden. Um eine vollständige Desoxydation der Schmelze zu erhalten, kann die Temperatur
der Kupfer, Kobalt und Eisen enthaltenden Schmelze zwischen ii5o und i2oo° C für
eine solche Zeit gehalten werden, die für die vollständige Beendigung der Reaktion
des Graphits des Tiegels mit dem Sauerstoff ausreicht. Wenn gewünscht, kann die
Legierung auch durch Erhitzen der Schmelze in einem keramischen Tiegel unter einer
Decke von Kohlestücken erfolgen. Auch können geringe Mengen von Calcium oder Phosphor
oder anderen geeigneten Desoxydationsmitteln der Schmelze hinzugefügt werden, um
eine vollständige Desoxydation zu gewährleisten. Die Metalle Kobalt und Eisen sind
im Kupfer leicht löslich und gehen in Lösung, wodurch eine Legierung entsteht, in
der die einzelnen Komponenten durch das ganze Gefüge gleichmäßig verteilt sind.
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Die Legierung kann in massiven, verwickelten oder einfacheren Formen
sowohl in Sand als auch in Kokillen gegossen werden; gewünschtenfalls kann sie direkt
in die endgültige Form des herzustellenden Gegenstandes gegossen werden, wonach
sie je nach Erfordernis leicht bearbeitet werden kann, oder der Guß kann auch in
ein Muster erfolgen, das zum nachträglichen Schmieden zur gewünschten Form geeignet
ist. Im Gußzustand ist die Kupfer-Kobalt-Eisen-Legie-'Tung vergleichsweise duktil
und kann leicht geschmiedet oder gezogen werden.
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Die besten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Härte und Wärme-
sowie elektrischer Leitfähigkeit zeigen Legierungen mit je o,5 bis 5 Gewichtsprozenten
Kobalt und Eisen, Rest Kupfer; nach einer Wärmebehandlung, die eine Ausscheidungshärtung
bewirkt und im folgenden beschrieben wird.
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Hierzu wird die Legierung einer hohen Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes
ausgesetzt, um eine hochgradige feste Lösung des Kobalts und des Eisens im Kupfer
zu erhalten; dann wird sie von dieser hohen Temperatur abgeschreckt, um das Kobalt
und das Eisen in der festen Lösung beizubehalten; schließlich wird die Legierung
bei einer niedrigeren Temperatur angelassen, auf der sie so lange gehalten wird;
bis sich das Kobalt und das Eisen in fester Lösung ausscheiden. In der Praxis wird
eine Glühtemperatur zwischen 750 und 1o75° C angewendet, um die feste Lösung
zu- erhalten, während die Wiedererhitzung auf eine Temperatur zwischen 450 und 60o°
C eine wirksame Ausscheidung der Komponenten hervorruft.
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Die beschriebenen Legierungen zeigen eine hohe Rockwell-B-Härte und
eine gute Wärme-und elektrische Leitfähigkeit. Die beschriebene Wärmebehandlung
ist von besonderem Wert bei Legierungen mit je o,5 bis 3 0J0 Kobalt und Eisen, Rest
Kupfer. In der folgenden Tabelle sind für verschiedene so hergestellte und wärmebehandelte
Legierungen die erhaltenen Eigenschaften zusammengestellt. Die Spalte i dieser Tabelle
enthält die Legie-
| Le- Verhältnis Summe Anlaßzeit Härte Leit- Produkt |
| gierungs- % Fe % Co o 0 0 0 fähigkeit |
| N r, /0 Co : /o Fe /o Co + /o Fe in Stunden RB K K # Ra |
| I 2 3 q. ; 6 7 8 g |
| io 1,75 1,04 o,6 2179 50 81 65 5265 |
| 1i o,98 0,98 1,0 1,96 100 70 59 4130 |
| 12 2,01 2,07 1,12 4,08 15 80 60 480o |
| 12a 2,01 2,07 1,12 4,o8 45 79 62 4898 |
| 12b 2,0z 2,07 1,12 4o8 100 76 63 4788 |
| 13 3,00 1177 o,59 4,77 35 80 6o 4800 |
| 13a 3,00 1,77 0,59 4,77 ioo 79 62 4888 |
| 14 0,92 0195 1.1 1,87 ioo 70 59 4130 |
| 15 2,95 0,95 0,32 3,90 35 70 62,5 4340 |
| 16 o,53 0,42 0179 0,95 35 62 65 4030 |
| 1f 1,47 1,46 0199 3,0 25 69 71 4899 |
| 18 1,98 0,93 0,47 3,0 25 73 61 4453 |
rungsnummer, die Spalten 2 und 3 geben den Gehalt an Eisen und Kobalt an, woraus
sich ohne weiteres die Menge des in der Legierung vorhandenen Kupfers als Rest ergibt.
Spalte 4 zeigt das Verhältnis des Kobältgehalts zum Eisengehalt, die Spalte 5 die
Summe
dieser beiden Gehalte. Aus Spalte 6 geht die Anlaßzeit in Stunden hervor, während
die Spalten 7 bis c9 die gefundenen Ergebnisse enthalten. Aus Spalte 7 gehen die
Werte der Härte RB, aus der Spalte 8 die Leitfähigkeit K und aus der Spalte 9 das
Produkt dieser beiden Größen
K - RB hervor.
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Die in der Tabelle aufgeführten Legierungen wurden einer Wärmebehandlung
durch Abschrecken von iooo° C und Anlassen bei 500° C während verschiedener Zeiten,
die aus Spalte 6 hervorgehen, unterworfen.
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Die Ergebnisse sind in der Zeichnung zusammengestellt, in der Fig.
i die Härte in Abhängigkeit von der Anlaßzeit, Fig.2 die Härte und die prozentuale
Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Anlaßzeit und Fig.3 das Produkt Härte - Leitfähigkeit
in Abhängigkeit vom Verhältnis des Kobaltgehalts zum Eisengehalt zeigen.
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In Fig: i geben die Kurven io bis 13 die ROCkwell-B-Härte wieder für
die in der Tabelle mit der Nr. i o versehene Legierung, nachdem sie verschiedenen
Wärmebehandlungen unterworfen war, die aus einem Abschrecken von 85o, 9oo, 95o bzw.
iooo° C und einem anschließenden Anlassen bei 500° C bestanden. Es geht aus diesen
Kurven hervor, daß die Härte um so mehr steigt, je mehr sich die Abschrecktemperatur
dem Schmelzpunkt der Legierung nähert.
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Aus Fig. 2 gehen Werte der Härte und der Leitfähigkeit für verschiedene
Legierungen hervor, die von iooo° C abgeschreckt und dann bei 5oo° C während verschiedener
Zeitdauer angelassen wurden. Die Kurven 15, 17
bzw. i9 zeigen die Leitfähigkeiten
der Legierungen 13, 12 bzw. io der Tabelle, während aus den Kurven 16, 18
und 2o die Rockwell-B-Härten der gleichen Legierungen hervorgehen. Es ist zu erkennen,
daß ein Anstieg der Leitfähigkeit durch ein geringes Opfer an Härte erhalten wird.
Es zeigt sich jedoch, daß nach einem Anlassen von 35 Stunden bei 5oo° C jede Legierung
eine Leitfähigkeit von mindestens 6o % und eine Rockwell-B-Härte von etwa
8o besitzt.
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In Fig. 3 zeigen die Kurven 22, 24 und 26 eine besondere Beziehung
zwischen den Gehalten an Kobalt und Eisen der Legierung gemäß der Erfindung. In
dieser Figur ist das Produkt aus der Rockwell-B-Härte und der Leitfähigkeit für
drei Legierungen über dem Ouotienten aus dem Kobaltgehalt und dem Eisengehalt dieser
Legierungen aufgetragen. Da bei den Legierungen gemäß der Erfindung höchste Werte
sowohl der Härte als auch der Leitfähigkeit erwünscht sind, gibt das Produkt aus
Härte und Leitfähigkeit, aufgetragen über dem Verhältnis vom Kobaltgehalt zum Eisengehalt,
einen guten Maßstab, da eine Änderung entweder in der Härte oder in der Leitfähigkeit
möglich ist, ohne durch Überaltern an dem Produkt etwas zu ändern. Solch eine Änderung
ist möglich, da ein Anstieg der Leitfähigkeit durch ein entsprechendes Absinken
der Härte erhalten wird. Die Kurve 22 gilt für eine Legierung mit zusammen o,9 bis
2 % Eisen und Kobalt, die Kurve 24 für einen Eisen-plus-Kobalt-Gehalt von 2,8 bis
3,2 °% und die Kurve 26 für 3,9 bis 4,8 °/o Eisen plus Kobalt.
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Aus diesen Kurven geht hervor, daß die besten Eigenschaften bei solchen
Legierungen erhalten werden, bei denen das Verhältnis des Kobaltgehalts zum Eisengehalt
zwischen o,5 und 1,25 und die Summe der Gehalte an Kobalt und Eisen zwischen 3,9
°/o und 4,8 °/o liegt. Aus jeder Kurve ist zu entnehmen, daß es ein absolutes Maximum
für das Produkt von Leitfähigkeit und Härte gibt und daß dieses Produkt etwa bei
dem Verhältnis i des Kobaltgehalts zum Eisengehalt liegt. Für höhere Verhältniszahlen
nimmt das Produkt schnell ab. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß der hohe Kobaltgehalt
den Ausscheidungshärtungsvorgang verzögert. Eine andere mögliche Erklärung ist die,
daß mit wachsendem Verhältnis vom Kobaltgehalt zum Eisengehalt eine größere Löslichkeit
des Kobalts erhalten wird.
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Allgemein kann den Kurven entnommen werden, daß die besten Ergebnisse
für solche Legierungen erhalten werden, bei denen das Verhältnis vom Kobaltgehalt
zum Eisengehalt etwa i und die Summe der Gehalte an Kobalt und Eisen zwischen 3,9'/,
und 4,8 °/o liegt.
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Obwohl die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen eine außerordentlich
hohe Rockwell-B-Härte nach Durchführung der Wärmebehandlung besitzen, sind sie jedoch
im Gußzustand außerordentlich duktil und können leicht zu der gewünschten Form verarbeitet
werden. Die Legierungen sind besonders geeignet zur Herstellung von großen Gußstücken,
z. B. von Kommutatorsegmenten; andere Möglichkeiten der Verwendung sind Enden von
Schweißelektroden oder andere Gegenstände, bei denen eine Leitfähigkeit von mindestens
6o % gleichzeitig mit einer hohen mechanischen Festigkeit gefordert wird.
Die Legierungen können besonders vorteilhaft für Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen
benutzt werden, wo es auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit zusammen mit hoher mechanischer
Festigkeit ankommt.