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Verwendung von Kupferlegierungen für gegen Wasserschlag beanspruchte
Gegenstände Die Vorteile der Herstellung von in Flüssigkeiten laufenden Teilen aus
Cu-Legierungen (Messinge, Sondermessinge und Bronzen) ist altbekannt. Diese Werkstoffe
besitzen neben hoher Festigkeit und Zähigkeit vorzügliche Gießfähigkeit und Bearbeitbarkeit
und gute Laufeigenschaften.
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Auch für Teile, die einer Kavitationsbeanspruchung oder Wasserschlagbeanspruchung
ausgesetzt sind, verwendet man vielfach Cu Legierungen aller Art. In Fällen aber,
bei denen die Gefahr des Auftretens starker Wasserschlagbeanspruchungen vorliegt,
wie in Grenzleistungsaggregaten, genügen sie nicht mehr, weil ihr Widerstand gegen
Kavitationsbeanspruchung zu gering ist. Auch aus diesem Grunde ist man in solchen
Fällen vielfach zu der Verwendung hochlegierter, korrosionsbeständiger Stähle übergegangen,
deren Vergießbarkeit und Verarbeitbarkeit schwierig ist und deren Lagerlaufeigenschaften,
soweit man sie bis heute erforschte, sehr schlecht sind.
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Der Erfinder fand nun, daß sich der Widerstand von Cu-Legierungen
gegen Kav itationsbeanspruchung ganz beträchtlich erhöhen läßt, wenn man diesen
durch geeignete Legierungszusätze die Eigenschaft verleiht, in erheblichem Maße
durch Ausscheidung gehärtet werden zu können. Zu dieser Erkenntnis kam der Erfinder
auf Grund eingehender Versuche mit einem Tropfenschlagapparat, die die Beanspruchungsart
erstmalig richtig erfaßten.
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Der Flüssigkeitsschlag, durch den bei Kavitationsanfressung, Tropfenschlaganfressung
und Naßdampferosion die Zerstörung des Werkstoffes erfolgt, wirkt nicht gleichmäßig
auf die jeweils getroffene Metalloberfläche, es bilden sich vielmehr örtliche Druckspitzen
aus, deren Höhe ein Vielfaches der errechneten Stoßdruckhöhe erreicht. Die Flächen,
auf die diese Druckspitzen wirken, können jedoch von mikroskopischer Kleinheit sein,
so daß die Kavitationsbeanspruchung eine Dauerstoßbeanspruchung der den Werkstoff
aufbauenden Einzelkristalle darstellt.
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Durch Steigerung der Härte durch Legierungselemente allein kann deshalb
der Widerstand eines Werkstoffes gegen Kav itationsbeanspruchung nicht maßgebend
beeinflußt .«-erden. Die Erhöhung der Härte bedeutet ja meist keine Verbesserung,
sondern eine Verschlechterung der Stoßunempfindlichkeit des Einzelkristalles, und
zudem erstreckt sie sich vielfach nur auf einzelne Gefügeelemente.
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Werkstoffe, die gegen Kavitationsanfressung unempfindlich sein sollen,
müssen vielmehr erstens genügend hart sein, zweitens müssen alle Gefügeelemente
erhöhte Festigkeit gegen Dauerstoßbelastung besitzen, da jeder noch so kleine örtliche
Angriff die weitere Zerstörung beschleunigt. Beide Forderungen werden erfüllt durch
Werkstoffe, die durch Ausscheidungshärtung verfestigt werden, weil durch sie neben
hoher Festigkeit in den Einzelkristallen ein Spannungszustand erzeugt wird, der
dem Spannungszustand infolge Schlagbeanspruchung entgegengesetzt gerichtet ist.
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Die Richtigkeit dieser Schlußfolgerung konnte der Erfinder versuchsmäßig
nachweisen.
So eiitlirilt die Folgende Zalilcntafel die mit eirein
Tropfenschlagapparat bekannter Nauart bei deichen @'ersuchsbe@lin@ungen fe,;t-
t. Werkstoff A, einer Legierung nach Anspruch i im ausgehärteten Zustand mit 22
0/0 Zn, % 0/0 `i, 2,5 0%0 Al. o,6 % Fe und 1,5 0/0 Mn, Rest Cu, a. Werkstoft B,
einer Ni-Al-Bronze mit 15 0/0 Ni und 3 0/0 Al, die etwa genau so hohe lä estigl:eit
besitzt als die durch Ausschei-
| ':Lrlestigte Legierung unter i, |
3. Werkstoff C, einem feinkörnigen- Kavitationsschutzbelag aus Stahl mit i S 0/0
Cr und S 0% Ni.
| Beanspruchungszeit in Stunden |
| @Verlt#;tof Besondere Merkmale Brinell- i 2 3 Hirte
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| -F 1 |
| Gewichtsverlust in mg |
| A Guß ausgehärtet 300 0 o i 2,5 ; 13 |
| A . Guß - 290 0 0 1,5 3,5 11 22 |
| B Guß 285 ' 5 über ioo nicht mehr bestimmt . |
| C Blech 211 o 0 3 21 n. in. best. |
Es geht aus den Ergebnissen eindeutig hervor, daß die nicht ausgehärtete, nur durch
Legierungsbestandteile verfestigte Cu-Legierung sehr rasch zerstört wird, dagegen
die durch Ausscheidungshärtung verfestigte Legierung einen außerordentlich hohen
Widerstand gegen Kavitationsangriff aufweist. Die Widerstandsfähigkeit der durch
Ausscheidung gehärteten Cu-Legierung erweist sich sogar der von rostbeständigem
austenitischem Cri-Stahlblech überlegen, das als Kavitationsschutzblech in den Handel
gebracht wurde. Im Vergleich zu den angeführten Werkstoffen A und B hat unter gleichen
Versuchsbedingungen ein Stahlguß mit etwa
50 kg/inm= Festigkeit nach i Stunde
bereits 23 mg, nach 2 Stunden Zoo mg Gewichtsverlust aufgewiesen.
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Die Erkenntnis gilt ganz allgemein für alle ausscheidungshärtenden
Legierungen. Der Erfinder beschränkt die Erfindung jedoch auf die als ausscheidungshärtend
bekannten Cu-Legierungen, weil ihm diese infolge der schon eingangs aufgeführten
günstigen Eigenschaften für vorliegenden Zweck besonders geeignet erscheinen.
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Er schlägt deshalb zur Herstellung von wasserschlagbeanspruchten Teilen
oder zum Schutz von wasserschlagbeanspruchten Teilen vor, foläende Legierungen zu
verwenden: i. Legierungen aus 2o bis 30 % Zink, 4 bis I 2 % Nickel, 1,5 bis .I0,'o
Aluminium, 0,5 bis 2,5 % Eisen, o,5 bis 3,5 0/0 Mangan, o bis 3 0/0 Bobalt,
0,02 bis o,2 % Phosphor, o bis 3 0/0 Chrom und Rest Kupfer.
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2. Legierungen aus 3 -bis 1o 0/0 Zinn. 3 bis 40 0% Nickel, 0,02. bis
0.3 0/0 Phosphor, o.5 bis 5,o 0/0 Eisen und Mangan, i,o bis .1,o 0/0 Zink,
o bis 2 0/0 Chrom und Rest Kupfer.
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3. Kupfer-Beryllium-Legierungeit, Kupferickel-Beryllium-Legierungen,
Ktipfer-'2\Tikkel-Zink-Beryllium-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Beryllium-Legierungen
und Kupfer-Nickel-Zinn-Beryllium-Legierungen mit 0,2 bis 3,00jö Beryllium.
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Die Legierungen sollen dabei eine Zusammenset7ung aufweisen, die es
ermöglicht, sie auf mindestens 22o Brinell durch Ausscheidung zu härten.
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Die Anwendung kann erfolgen: i. durch Herstellung der Teile aus den
angegebenen Legierungen; 2. als Belag der Oberfläche von Werkstoffen von geringer
Wasserschlagbeständigkeit an der zu schützenden Stelle.
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a) Dieser Belag kann als Blech durch Punktschweißung befestigt werden.
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b) Er kann durch Auftragschweißung aufgetragen werden.
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c) Er kann aufgegossen werden.
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d) Er kann als vorgeformte Platte der Gußform an den zu schützenden
Stellen beigelegt werden.
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e) Er kann schließlich auch-angeschmiedet werden.