-
Kupferlegierungen Die Erfindung hat durch Ausscheidungshärtung vergütbare
Kupferlegierungen zum Gegenstand, welche Nickel und Aluminium enthalten.
-
Bei gewissen, durch Ausscheidungshärtung vergütbaren Legierungen,
beispielsweise solchen, die geringe Mengen Aluminium und bis zu 40% Nickel enthalten,
erfolgt die zur Erreichung der Härte notwendige Wärmebehandlung entweder in einer
oder in zwei Stufen. Wenn mit einer einstufigen Wärmebehandlung gearbeitet wird,
ist vorgeschlagen worden, die Legierung auf eine Temperatur von etwa .80o° zu erwärmen
und sie langsam in Luft abkühlen zu lassen mit einer geeigneten Geschwindigkeit,
welche von der Zusammensetzung der Legierung abhängt, wodurch die Härte und die
Festigkeit derselben verbessert wird. Es ist jedoch weit üblicher, eine zweistufige
Wärmebehandlung der Legierung durchzuführen, indem die Legierung von einer Homogenisierungstemperatur
von etwa 80o° abgeschreckt und erneut auf eine Temperatur von 500 bis 700°
erwärmt wird.
-
Gemäß der Erfindung werden nunmehr Kupferlegierungen vorgeschlagen,
welche eine höhere Härte und Festigkeit gegenüber den bisher bekannten vergütbaren
Kupfer-Nickel-Aluminium-Legierungen aufweisen und diese Eigenschaften auch bei Temperaturen
von 30o bis 75o° beibehalten.
-
Gemäß der Erfindung bestehen diese harten Kupferlegierungen aus 15
bis 40 °/° Nickel, o,5 bis 4 °/° Aluminium, o,i bis 2°/° Chrom, Rest Kupfer, wobei
der Prozentgehalt an Nickel innerhalb der angegebenen Grenzen je nach den Eigenschaften
geändert wird, welche die endgültige Legierung aufweisen soll,
und
der Gehalt -an Aluminium und/oder Chrorr, zweckmäßig innerhalb der angegebenen
Grenzer mit steigendem Nickelgehalt ebenfalls gesteigert wird.
-
Es ist möglich, den Härtungseffekt durch verschiedene Wärmebehandlung
je nach der Zusammensetzung der Legierung zu erzielen. Sämtliche Legierungen werden
beispielsweise im weichen Zustand erhalten, wenn sie auf eine Temperatur von 7oo
bis I100°, d. h. auf die Homogenisierungstemperatur, erwärmt werden, worauf sie
abgeschreckt werden. Legierungen, welche höhere Nickelgehalte aufweisen, d. h. solche
von 3o bis 400/0, können auch im weichen Zustand dadurch erhalten werden, daß die
Kühlung mit geringerer Geschwindigkeit erfolgt. Legierungen, die durch irgendeine
dieser Kühlungsbehandlungen im weichen Zustand erhalten wurden, können durch darauffolgende
Wiedererwärmung auf eine Temperatur von 4oo bis 65o° wieder gehärtet werden. Darüber
hinaus können sämtliche gemäß der Erfindung hergestellten Legierungen durch eine
einzige Wärmebehandlung gehärtet werden, die darin besteht, daß die Legierung auf
eine Temperatur von 7oo bis 11oo° erwärmt wird, worauf sich eine Abkühlung mit einer
Geschwindigkeit anschließt, die von der Zusammensetzung der Legierung abhängt und
wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit mit steigendem Nickelgehalt verringert wird.
-
Zusätzlich zu der Härtung, die durch die erwähnte Wärmebehandlung
erzielt wird, l'ä.ßt sich noch eine weitere Härtung durch Kaltbearbeiten der Legierung
im weichen Zustand derselben herbeiführen, woran sich eine Wiedererwärmung bei Temperaturen
anschließt, die zwischen 400 und 65o° liegen und wobei die jeweils angewandte Temperatur
von der Zusammensetzung der Legierung und dem Betrag der Kaltbearbeitung abhängt,
der sie unterworfen worden ist.
-
Bei Legierungen, welche einen Nickelgehalt zwischen 15 und 21°/o aufweisen,
wird vorzugsweise ein Aluminiumgehalt angewandt, der innerhalb des Bereiches von
i bis 3% liegt, und ein Chromgehalt zwischen 0,25 und o,750/0. Bei einem
höheren Nickelgehalt zwischen 22 bis 30% wird vorzugsweise der Chromgehalt vergrößert
und liegt innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 1%. Bei noch höherem Nickelgehalt
von 31 bis zu 40% kann der Chromgehalt noch weitergesteigert werden und liegt in
dem Bereich von 0,5 bis 20/0.
-
Den Legierungen können auch noch andere Elemente hinzugefügt werden,
ohne daß der günstige Einfluß des Chroms in Verbindung mit Nickel und Aluminium
wesentlich gestört wird. So können beliebige der Elemente Mangan, Magnesium, Eisen,
Silicium, Kobalt oder Zink als beabsichtigte Zusatzstoffe oder als Verunreinigungen
in Legierungen dieser Art zugegen sein, und zwar in Mengen, die vorzugsweise 50/0
eines jeden Elementes nicht überschreiten, und im allgemeinen sollte die Gesamtmenge
dieser Elemente geringer sein als 5%.
-
In der folgenden Tabelle sind Beispiele von Legierungszusammensetzungen
gemäß der Erfindung angegeben zusammen mit Zusammensetzungen von entsprechenden
Legierungen ohne Zugabe von Chrom.
| Tabelle 1 |
| (Zusammensetzung in Gewichtsprozent) |
| Legierung Kupfer Nickel Alu- Chrom |
| minium |
| Nr. 0/0 0/0 0/0 0/0 |
| 1 83,o 15,0 2,0 - |
| 2 82,5 15,0 2,0 0,5 |
| 3 70,2 28,3 1,5 - |
| 4 70,2 27,8 1,5 0,5 |
| 5 58,o 40,0 2,0 - |
| 6 57,5 40,0 2,0 1 o,5 |
Um den Einfluß der verschiedenen Behandlungsformen auf die in der obigen Tabelle
angegebenen Legierungen erkennen zu lassen, wurden Legierungen gemäß der Erfindung,
d. h. die Legierungen Nr. 2, 4 und 6, nach dem Erwärmen auf eine Temperatur von
85o° in Wasser abgeschreckt und dadurch erweicht, und sie zeigten dann eine Diamantspitzenhärte
von 135, 140 und 146. Es wurde jedoch gefunden, daß Legierungen mit höherem Nickelgehalt
durch wesentlich langsamere Abkühlung auch in den erweichten Zustand gebracht werden
konnten. So wurde die Legierung Nr.4 von einer Wärmelösungstemperatur von 85o° innerhalb
eines Verlaufs von 1r/2 Stunden auf Zimmertemperatur abgekühlt, und die Legierung
besaß dann eine Diamantspitzenhärte von 156.
-
Diese Legierungen, gleichgültig ob sie durch Abschrecken in Wasser
oder durch langsames Abkühlen von der Homogenisierungstemperatur in den erweichten
Zustand gebracht worden sind, wurden durch Wiedererwärmen auf eine Temperatur von
etwa 500° gehärtet, und die Härte wurde durch diese Behandlung auf 234, 235 und
256 D.P. bei den Legierungen Nr. 2, 4 und 6 gesteigert. Vergleichsweise sei festgestellt,
daß die Härte der Legierungen 1, 3 und 5, die keinen Chromgehalt aufweisen, nach
ähnlicher Wärmebehandlung nur 216, 205 und 21o D. P. betrug.
-
Unter ähnlichen Bedingungen der langsamen Abkühlung, d. h. einer Abkühlung
von 85o° auf Zimmertemperatur im Verlauf von 1r/2 Stunden, wird in der Legierung
Nr. 2, welche 15% Nickel enthält, eine maximale Diamantspitzenhärte von 236 entwickelt,
d. h. im wesentlichen die gleiche Härte, wie sie durch die beschriebene zweistufige
Wärmebehandlung erzielt wird. Andererseits bleibt die Legierung Nr. 4, welche j
27,8% Nickel enthält, nach dieser Wärmebehandlung weich, und sie besitzt eine Diamantspitzenhärte
von 156. Um in dieser Legierung Nr. 4 eine Maximalhärte hervorzurufen, hat es sich
als notwendig herausgestellt, die Abkühlung auf etwa 8 Stunden zu verlängern oder
so vorzugehen, daß *die Legierung einer zweistufigen Wärmebehandlung einschließlich
einer Erweichung unterworfen und die erweichte Legierung auf eine Temperatur von
etwa 5oo° wieder erwärmt wird. Hieraus ergibt sich der sehr beträchtliche Einfluß
der Abkühlungsgeschwindigkeit von der Homogenisierungstemperatur vom Nickelgehalt
auf die Härtung der Legierungen und hieraus ist ersichtlich, daß bei im wesentlichen
konstanten Aluminium- und Chromgehalten je höher der Nickelgehalt der Legierungen,
um so größer auch der mögliche Umfang der Abkühlungsgeschwindigkeiten
von
der Lösungswärmetemperatur ist zum Zweck, eine Erweichung zu bewirken.
-
Als Beispiel der Einwirkung der Kaltbearbeitung auf die Legierungen
gemäß der Erfindung wurde die Legierung Nr.4, nachdem sie langsam von 85o° abgekühlt
wurde, einer 75 °/°igen Querschnittsverringerung durch Kaltbearbeitung und dann
einer Temperung unterworfen, indem sie 2 Stunden lang auf 5oo° erwärmt wurde. Diese
Legierung besaß dann eine Diamantspitzenhärte von 359. Vergleichsweise sei festgestellt,
daß die entsprechende Legierung Nr. 3, unter genau den gleichen Bedingungen behandelt,
eine Diamantspitzenhärte von 304 besaß, woraus eindeutig die die Legierung verbessernde
Wirkung des Chromzusatzes festzustellen ist.
-
Ein weiterer Vorteil der Zugabe von Chrom zu diesen Legierungen besteht
darin, daß erreicht wird, daß die Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen in weit
größerem Maße beibehalten wird, als es bei den bisher bekannten Kupferlegierungen
der Fall war, welche Nickel und Aluminium enthalten. Diese Vorteilhafte Wirkung
ergibt sich eindeutig aus der folgenden Tabelle 2, welche die vergleichbaren Werte
der Zugfestigkeiten der Legierungen Nr. 3 und 4 enthält, und zwar einmal einer Legierung
ohne Chromgehalt und dann eine solche mit o,50/0 Chromgehalt. In jedem Falle wurden
die Legierungen von einer Temperatur von 85o° in Wasser abgeschreckt und dann 2
Stunden lang auf eine Temperatur von 6oo° angelassen.
Es wurde gefunden, daß sich die obigen Legierungen leicht vergießen und warm oder
kalt verformen lassen, beispielsweise durch Strangpressen, Pressen, Walzen, Ziehen
u. dgl., und sie können daher für die verschiedensten Zwecke verwendet werden.
-
Die außergewöhnliche Härte dieser Legierungen macht sie besonders
geeignet zur Herstellung von nicht funkenbildenden Werkzeugen, während ihre Festigkeit
und Härte vereinigt mit der Korrosionsbeständigkeit sie für die Verwendung in Wärmeaustauschsystemen
geeignet macht entweder unter Druck oder bei normalen Temperaturen und Drucken oder
unter Bedingungen, bei denen eine Erosionswirkung auftritt, indem in dem umlaufenden
Medium Feststoffe in Suspension zugegen sind. Andere wertvolle Eigenschaften sind
die Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation und Abblättern vereinigt mit der Eigenschaft,
daß diese Legierungen ihre Festigkeit bei Temperaturen von 30o bis 6oo° beibehalten,
so daß diese Legierungen für den chemischen Apparatebau besonders geeignet sind.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Legierungen sind ihre Verwendung als Turbinenschaufeln
und als Ventile in Anlagen, bei denen hocherhitzte Medien gefördert werden.