DE69023218T2

DE69023218T2 - Mangan und Aluminium enthaltende Kupferbasislegierung und aus dieser Legierung hergestellte Gegenstände.

Info

Publication number: DE69023218T2
Application number: DE69023218T
Authority: DE
Inventors: Petrus Wenschot
Original assignee: Bioliden LDM Nederland BV
Current assignee: Bioliden LDM Nederland BV
Priority date: 1990-01-04
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: EP0437000B1; EP0437000A1; ATE129527T1; NL9000019A; DE69023218D1; US5098654A; CA2033259A1

Description

Legierung auf Basis von Kupfer, Mangan und Aluminium und Gegenstände, die aus dieser Legierung hergestellt sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung auf Basis von Kupfer, Mangan und Aluminium. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Gegenstände, die aus diesen Legierungen hergestellt sind.
Aus DE-C-343739 ist eine Legierung aus Kupfer, Zink und Mangan bekannt, die bis zu 33 % Zink enthalten kann, der die Elemente Aluminium, Nickel, Nangan und Titan zugesetzt werden. Ein typisches Beispiel für eine solche Legierung enthält 61 % Kupfer, 10,7 % Mangan, 2,3 % Eisen, 0,37 % Nickel, 3,6 % Aluminium, 0,5 % Titan, der Rest ist 21,9 % Zink. Die Korrosionsbeständigkeit dieser Zink enthaltenden Legierung ist vergleichsweise gering. In dem niederländischen Patent Nr. 124 966 ist eine Legierung beschrieben, die neben Kupfer 1 bis 9 % Eisen, 0 bis 7 % Nickel, 3 bis 9 % Aluminium und 10 bis 16 % Mangan enthält. Es hat sich gezeigt, daß die mechanischen Eigenschaften dieser Legierung, insbesondere ihre Versprödung, verbessert werden können, so daß es möglich ist, Gegenstände (Formkörper) aus diesen Legierungen herzustellen bei niedrigeren Temperaturen als dies bisher üblich war.
Auch aus dem britischen Patent Nr. 727 021 ist eine Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierung bekannt, die 10 bis 15 % Mangan, 6, 5 bis 9 % Aluminium, 2 bis 4 % Eisen und 1,5 bis 6 % Nickel enthält, wobei der Rest Kupfer ist. Eine solche Legierung ist auch bekannt als Aluminium-Bronze-Legierung und mit dieser Legierung scheint es auch möglich zu sein, die Versprödung zu verbessern, so daß Gegenstände (Formkörper) aus diesen Legierungen bei tieferen Temperaturen hergestellt werden können.
Die erfindungsgemäße Legierung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält 10 bis 55 Gew.-% Mangan, 4 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,5 bis 5 Gew.-% Eisen, 2 bis 8 Gew.- % Nickel und 0,5 bis 2,5 Gew.-% Titan, wobei der Rest Kupfer mit weniger als 7 Gew.-% Zink ist und wobei der Titangehalt mindestens gleich der Hälfte des Eisengehaltes ist und der Nickelgehalt höher ist als der Eisengehalt. Außerdem kann Aluminium teilweise durch Zink ersetzt sein.
Aus einem Artikel von S.W. Frost et al, "Thermal embrittlement in an Mn-Ni-Al-Bronze Casting Alloy" in "AFS Transactions", Band 146, Seiten 653 - 659 (1980), ist es bekannt, daß bei Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen Anzeichen für eine Versprödung auftreten können, was zu einem vorzeitigen Bruch führt, insbesondere bei dynamisch belasteten Teilen in einer korrosiven Umgebung, was zur Folge hat, daß Gegenstände (Formkörper), die aus diesen Legierungen hergestellt sind, für die Verwendung unter korrosiven Bedingungen weniger geeignet sind. Diese Anzeichen für eine Versprödung werden beträchtlich vermindert, wenn Gegenstände (Formkörper) aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt werden.
Wegen der Anwesenheit von Titan in Mangan und Aluminium enthaltenden Kupferlegierungen werden die Korrosionsbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit sowie die Korrosionsermüdungseigenschaften gleichzeitig beträchtlich verbessert. Gegenstände (Formkörper), die aus dieser Legierung hergestellt sind, weisen eine sehr hohe Beständigkeit gegen Verschleiß (Abrieb), gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Dämpfungskraft auf, wenn der Mangangehalt mehr als 45 Gew.-% beträgt.
Durch Zugabe von Titan zu den Mangan und Aluminium enthaltenden Kupferlegierungen kann die Präzipitation (Ausscheidung) einer unreinen spröden Phase in der Struktur des Materials während der Abkühlung verhindert werden. Das Auftreten dieser unreinen spröden Phase in der Struktur und der Einfluß auf die Eigenschaften des Materials sind in den folgenden Tabellen A und B im einzelnen angegeben.
Es wurde festgestellt, daß in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Abkühlungsgeschwindigkeit des Naterials eine an Mangan reiche Phase vom Mn(β)-Typ ausgeschieden wird. Mn(β) ist eine allotrope Modifikation des Elements Mangan mit einer komplexen kubischen Struktur, die bei hohen Temperaturen in dem an Mangan reichen Teil des Kupfer-Mangan-Systems auftritt. Bei Kupfer-Mangan- Legierungen tritt Man(β) bei sehr langsamem Abkühlen des Materials nicht auf, bevor ein vollständiger Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Die Zugabe von geringen Mengen Aluminium und/oder Zink und großen Mengen Eisen und Nickel hat eine stabilisierende Wirkung auf die Bildung von Mn(β). So tritt eine Phase vom Mn(β)-Typ bereits bei langsamem Abkühlen einer Mangan und Aluminium enthaltenden Kupferlegierung auf, die mehr als 13 Gew.-% Mangan und 6 Gew.-% Aluminium enthält, der eine maximale Menge von 5 Gew.-% Eisen und Nickel zugesetzt worden ist.
Diese Phase vom Mn(β)-Typ wird gebildet als Folge der Wechselwirkung zwischen Aluminium, Eisen und Mangan, wobei diese Elemente während des Abkühlens ausgeschieden werden als Folge einer Übersättigung des Lösungsbereichs. Wenn die lokalen Konzentrationen an Eisen, Mangan und Aluminium überschritten werden, entsteht eine spröde Phase vom Mn(β)-Typ, die mehr als 60 Gew.-% Mangan enthält und die Eigenschaften der Legierungen, insbesondere nach dem verhältnismäßig langsamen Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von weniger als 250ºC/h, stark beeinflußt.
Die Anwesenheit von Eisen und Nickel in den Mangan und Aluminium enthaltenden Kupferlegierungen ist wesentlich im Zusammenhang mit den Festigkeits- und Korrosionseigenschaften des Materials.
Als Folge der Zugabe der angegebenen Menge an Titan zu der Maflgan und Aluminium enthaltenden Kupfer-Legierung, die auch Eisen und Nickel enthält, tritt keine Ausscheidung einer spröden Phase vom Mn(β)-Typ auf.
Die Anwesenheit von Titan in der Legierung führt zur Bildung einer getrennten, duktilen Phase mit Eisen, Nickel und Aluminium und maximal 10 Gew.-% Mangan, die eine beträchtliche Verbesserung der Eigenschaften der Legierung ergibt.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß die Elemente Titan, Eisen und Nickel in bestimmten Nengen und vorzugsweise in einem bestimmten Verhältnis vorhanden sind. In diesem Fall ist der Titangehalt mindestens gleich der Hälfte des Eisengehaltes, um die Bildung einer getrennten duktilen Phase zu bewirken.
Der Nickelgehalt ist höher als der Eisengehalt, um die als Folge des Auftretens der genannten Phase aus der Matrix extrahierte Nickelmenge ausgleichen zu können.
Neben den obengenannten Elementen kann die Legierung auch eine bestimmte Menge Zink enthalten. Dadurch ist es möglich, daß die Legierung in einem Ofen geschmolzen wird, in dem vorher Messing vorhanden war. Somit ist ein leichter Übergang (Wechsel) von Aluminium-Bronze über die fragliche Legierung in Messing und umgekehrt möglich. Für den Fall, daß Zink in der Legierung vorhanden ist, muß ein Aluminium-Äquivalent von etwa 0,3 % in Betracht gezogen werden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen sind geeignet für die Herstellung von Gegenständen (Formkörpern) durch Warmformen. Die Warmform-Temperaturen liegen im Durchschnitt 100ºC niedriger als bei den bekannten Nickel-Aluminium- Bronze-Legierungen, die vergleichbare Eigenschaften haben.
Innerhalb des Zusammensetzungsbereiches der erfindungsgemäßen Legierung wurde eine Reihe von Teststücken gegossen und mit variierenden Geschwindigkeiten abgekühlt. Es wurden verschiedene mechanische Eigenschaften der genannten Teststücke bestimmt, die mit ähnlichen Legierungen verglichen wurden, denen kein Titan zugesetzt wurde, und die unter ähnlichen Bedingungen abgekühlt wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle A angegeben, in der die Legierungen 1, 2, 7, 12 und 13 Vergleichslegierungen sind. Aus dieser Tabelle geht hervor, daß die Titan enthaltenden Legierungen eine höhere Dehnung als die Legierungen aufweisen, die kein Titan enthalten, was anzeigt, daß Titan enthaltende Legierungen von Natur aus nicht spröde sind im Vergleich zu den Legierungen, die kein Titan enthalten.
In der Tabelle A hat die Legierung 18 einen hohen Mangangehalt. Diese Legierung hat ein hohes spezifisches Dämpfungsvermögen von 15 bis 20 %. Die Legierung 14 hat dagegen ein spezifisches Dämpfungsvermögen von etwa 3 %. Es wurden die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften einer Anzahl dieser Legierungen, die mit einer Geschwindigkeit von 40ºC/h abgekühlt wurden, bestimmt. Diese Eigenschaften werden angezeigt durch die Anzahl der Umbiegungen (wechselnden Biegebelastungen), bis bei einer gegebenen Belastung eines Teststabes in einer 3 %igen Natriumchlorid-Lösung ein Bruch auftrat. Die Ergebnisse sind in der Tabelle B angegeben. Aus dieser Tabelle ist zu ersehen, daß bei dynamischen Belastungen in einer korrosiven Umgebung die Lebensdauer der Titan enthaltenden Legierungen (Legierungen 20 und 21) beträchtlich länger ist als im Falle der Legierungen, die kein Titan enthalten (Legierung 19). Tabelle A Zusammensetzung in Gew.-% mechanische Eigenschaften Abkühlungsgeschwindigkeit in ºC/h Zugfestigkeit RM in N/mm² 0,2 %-Streckgrenze Rp in N/mm² Dehnung A5 in % Härte HB Tabelle B Nr. der Legierung Zusammensetzung in Gew.-% Anzahl der Umbiegungen (Belastungswechsel) ΔNf*10&sup6; Fußnoten: Sm = mittlerer Wert der Belastung Sa = Amplitude der wechselnden Belastung ΔNf = Anzahl der Umbiegungen (Belastungswechsel) in einer Lösung von 3 % Natriumchlorid, die zu einem Bruch führt

Claims

1. Legierung auf der Basis von Kupfer, Mangan und Aluminium, wobei die Legierung 10-55 Gew. % Mangan, 4-10 Gew. % Aluminium, 0,5-5 Gew.% Eisen, 2-8 Gew. % Nickel und 0,5-2,5 Gew. % Titan enthält, wobei der Rest Kupfer mit weniger als 7 Gew. % Zink ist und wobei der Titangehalt wenigstens gleich der Hälfte des Eisengehaltes ist und der Nickelgehalt größer als der Eisengehalt ist.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 5-8 Gew. % Aluminium, 10-25 Gew. % Mangan, 0,5-3 Gew. % Eisen, 2-6 Gew. % Nickel, 0,5-2 Gew. % Titan, 0-5 Gew. % Zink besteht, wobei der Rest Kupfer ist, mit einer Menge an Verunreinigungen, die 0,5 Gew. % nicht überschreitet.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 4-6 Gew. % Aluminium, 45-55 Gew. % Mangan, 0.5-3 Gew. % Eisen, 2-6 Gew. % Nickel, 0,5-2 Gew. % Titan und 0-5 Gew. % Zink besteht, wobei der Rest Kupfer ist, mit einer Menge an Verunreinigungen, die 0,5 Gew. % nicht überschreitet.

4. Gegenstände, hergestellt aus einer Legierung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Wärmeformungsverfahren im Durchschnitt 100ºC niedriger als bei Nickel-Aluminium Bronzelegierungen, die kein Titan enthalten, ist.