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Nickel-Kupfer-Legierungen Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen,
die vorwiegend aus Nickel und Kupfer bestehen, und sie ist insbesondere anwendbar,
aber nicht beschränkt, auf Legierungen, die ungefähr 66 °/o Nickel und 30 % Kupfer
enthalten und insofern natürliche Legierungen sind, als sie beim Frischen gewisser
Erze erzeugt werden.
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Die Zugabe von Aluminium zu Nickel-Kupfer-Legierungen verbessert einige
ihrer physikalischen Eigenschaften, wobei sich die zugegebene Menge in der Höhe
von 4°/o bewegt. Diese Eigenschaften und insbesondere die Festigkeit und Härte können
noch weiter verbessert werden, indem die Aluminium enthaltenden Legierungen einer
geeigneten Warmbehandlung nach Art der Alterungs- oder Fällungshärtung unterworfen
werden. Es ist bekannt, daß die Zugabe von Titan zu Nickellegierungen (einschließlich
Nickel-Kupfer-Legierungen) die Legierungen durch Warmbehandlung härtbar macht und
daß Aluminium als ein zweites Härtungsmittel zugefügt werden kann. Es wurde Titan
in einer Menge von z bis xo % zugegeben. Durch den auch bekannten Vorschlag, Titan
in kleineren Mengen als i0/, diesen kohlenstofffreien Legierungen zuzusetzen, wird,
wie Versuche ergeben haben, kein erheblich besseres Ergebnis hinsichtlich des Anstieges
der Festigkeit und der Härte der Legierungen bei genügender Verformbarkeit erzielt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß unerwartet bessere Eigenschaften
Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierungen, die geringe Mengen von Aluminium enthalten,
verliehen werden können, wenn
kleine Mengen von Titan und Kohlenstoff
in den Legierungen enthalten sind. Erfindungsgemäß ist die Zusammensetzung der Legierungen
folgende: Nickel 5o bis 85 b/,, Kupfer 45 bis 1o a/,, Aluminium 2 bis 4 °/o, Titan
wenigstens 0,25, aber weniger als 10/" Kohlen-Stoff 0,05 bis
0,3 0/,.
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Die Legierungen enthalten im allgemeinen in Übereinstimmung mit fast
allen handelsüblichen Legierungen Verunreinigungen, wie Kobalt, Silicium, Mangan,
Eisen, Schwefel und Phosphor. Sie können auch Silicium, Mangan und Eisen in Mengen
enthalten, die größer als die sind, in welchen diese Elemente lediglich Verunreinigungen
bilden, d. h. die: Legierung kann aus einer Grundzusammensetzung, wie vorstehend
angegeben, gebildet sein, und die fertige Legierung kann auch ein oder mehrere der
Elemente Silicium, Mangan und Eisen in folgenden Mengen enthalten: Silicium von
0,05 bis = 0/0 (vorzugsweise o,2 bis 0,4 %), Mangan von o;05 bis 2 0/, (vorzugsweise
o,25 bis 0,5 (/o) und Eisen von 0,o5 bis 1o 0/, (vorzugsweise o,2 bis 10/0). Magnesium
sollte nicht zugegen sein, da es die Warmdehnbarkeit der Legierungen verringert.
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Die verbesserten Eigenschaften werden in den ' Legierungen durch eine
Warmbehandlung nach Art der Alterungshärtung entwickelt. Die bei den jetzt durch
Alterung härtenden Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierungen angewandten Verfahren können
auch auf die erfindungsgemäßen Legierungen angewandt werden. Aber es wird doch vorgezogen,
Behandlungsweisen zu wählen, die ein geregeltes langsames Kühlen einschließen, was
später beschrieben wird: Das in den vorliegenden Legierungen enthaltende Aluminium
und Titan werden als die Hauptelemente in dem Alterungs-Härtungs-Verfahren angesehen,
während der Kohlenstoff und bis zu einem gewissen Maße das Silicium bei diesem Verfahren
als Nebenelemente betrachtet werden. Eisen und Mangan beeinflussen offensichtlich
nur die Grundlegierung. Der Titangehalt ist kritisch. Um von wirtschaftlichem Wert
zu sein, sollen die Legierungen einer Warmbehandlung bis zu einer Mindesthärte von
ungefähr 265 bis 30o Brinell ohne Kaltbearbeitung unterworfen werden können und
eine befriedigende Warmdehnbarkeit besitzen. Titan in Mengen von weniger als
0,25 °/, erzeugt Härten, die nicht wesentlich besser sind als die, welche
bei einem Material erhalten werden, welches nur Aluminium enthält. Eine Legierung,
die ungefähr 2,75 0/, Aluminium und 0,5 0/0 Titan enthält; weist leicht hohe
Härten von wirtschaftlichem Wert auf. Bei verringerten Aluminiumgehalten sollte
der Titängehalt vergrößert werden. Der Titangehalt soll jedoch nicht 1% oder mehr
betragen, da die Legierungen mit einem so großen Gehalt leicht zur sogenannten Kernspaltung
neigen, wenn sie zu kleinen Stangen usw. ausgewalzt werden; dies ist eine Erscheinungsform
von geringer Warmdehnbarkeit. Sehr wenig Vorteil wird erreicht, wenn man den Titangehalt
größer als 0,75 % macht; der bevorzugte Titanbereich liegt zwischen 0,4 und
0,75 0/0 bei einem Aluminiumgehalt zwischen 2,3 und 3,4 0/0. Um die besten
Ergebnisse zu erzielen, wird es bevorzugt, innerhalb dieser Bereiche sich an bestimmte
Grenzen zu halten, und die bevorzugten Legierungen haben die folgende Grundzusammensetzung:
Nickel von 63 bis 7o 0/0, Kupfer von 33 bis 26 0/" Aluminium von 2,7 bis 3,10/,,
Titan von 0,4 bis o,6 0/, und Kohlenstoff von 0,13 bis 0,2o 0/,.
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Typische Legierungen sind die folgenden: Nickel.....:.. 66,1q.0/,
66,zob/, 66;450/0 64=66% Kupfer ....... 29,83% 29,69% 29,26% 3007°/o Aluminium ...
2,88% 2,92% e740/0 2680/0 Titan ........ 0;55% 0,5=°/o 0,51o/0 049°/a Kohlenstoff
... 0,z40/, o,180/, 0,=30/0 0,14% Silicium ...... o,260/0 0,20% 0,3=% 0,26% Der
Kohlenstoff spielt eine wichtige Rolle beim Verleihen der verbesserten physikalischen
Eigenschaften obwohl er nicht so wichtig wie das Titan und Aluminium ist. Es wird
deshalb bevorzugt, den Kohlenstoffgehalt auf der höchstmöglichen Höhe zu halten,
ohne die Warmverformbarkeit zu opfern, da die höheren Kohlenstoffgehalte eine verstärkte
Festigkeit und Härte verleihen. Während Kohlenstoff in hohen Titanlegierungen von
Kupfer und Nickel außerordentlich nachteilig ist; ist er außerordentlich vorteilhaft
im Material, welches gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht ist.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen brauchen nicht und werden vorzugsweise
nicht vor der Alterung abgeschreckt, um sie für die Alterungshärtung empfänglich
zu machen. Die Legierungen werden im allgemeinen nur abgeschreckt, wenn es gewünscht
ist, daß sie weich sein sollen, d. h. um sie vor einer Alterungshärtung während
des Kühlens zu bewahren, die einer Warmbearbeitung oder Glühbehandlungen folgt.
Die Legierungen erhärten im wesentlichen zu derselbenEndhärte, gleichgültig, ob
sie irgendeinem Abschrecken oder einer schnellen Kühlbehandlung während irgendeiner
Stufe des Verfahrens unterworfen worden sind. Bequemlichkeitshalber werden Stangen,
Barren und Blöcke im allgemeinen nach jedem Warmbehandlungsarbeitsgang abgeschreckt,
um das Material weich zu machen und zu erreichen, daß es leicht gerichtet, gespänt
und überholt werden kann, wie auch um die Gefahr des Reißens während des Wiedererhitzens
zu verhindern. Im allgemeinen werden aus den Legierungen hergestellte Gegenstände,
nachdem sie fabriziert sind, warm behandelt, um Alterungshärtung zu entwickeln,
obwohl einige Artikel auch vor den endgültigen Arbeitsgängen warm behandelt werden
können. Feine Springfederdrähte können beispielsweise nach der Härtüngswarmbehandlung
kalt gezogen werden, da diese Arbeitsweise die besten, in dem Material zu erreichenden
physikalischen Eigenschaften entwickelt. Sie erzeugt auch ein fertiges Material
mit einem höheren Glanz, als er in einem -Material entwickelt werden kann, welches
nach dem Kaltziehen warm behandelt igt. Die Fertigbearbeitung kann auch nach der
Warmbehandlung ausgeführt werden, um jede Verfärbung und jedes Verwerfen, was während
der Warmbehandlung auftreten kann, zu entfernen. Warm behandeltes Material kann
auch einer folgenden maschinellen Bearbeitung, einem Stanzen oder anderen Fabrikationsmethoden,
wo es auch immer nötig ist, unterworfen werden,
Die bevorzugte Warmbehandlung
besteht darin, daß die Legierung von % bis zu 16 Stunden in einem Temperaturgebiet
von 538 bis 660°C gehalten und dann stetig auf mindestens 482°C gekühlt wird, wobei
die Schnelligkeit der Kühlung 42°C je Stunde bei jeder Temperatur oberhalb 593°C
und 28°C je Stunde bei jeder Temperatur unter 593°C nicht überschreitet. Vorzugsweise
übersteigt die Schnelligkeit der Kühlung bei jeder Temperatur unterhalb 593°C nicht
14°C je Stunde. Die besten Eigenschaften scheinen durch Kühlen um etwa 8°C bis zu
482°C und dann um ungefähr 2°C je Stunde bis zu 426°C je Stunde entwickelt zu werden.
Die Steigerung der mechanischen Eigenschaften mit fallender Temperatur ist stetig,
allerdings mit einer abnehmenden Geschwindigkeit. So hat Material, welches die erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Zusammensetzungen hat und das entsprechend der verbesserten Warmbehandlung
langsam auf 482°C gekühlt worden ist, bessere Eigenschaften als sie entwickelt werden
würden, wenn die langsame Kühlung bei z. B. 540'C beendet worden wäre. Unterhalb
426°C ist die Verbesserung der Eigenschaften so langsam, daß aus praktischen Gründen
das langsame Kühlen selten unterhalb dieser Temperatur fortgeführt wird, und oft
wird es bei ungefähr 482°C beendet. Die Legierung kann abgeschreckt, luftgekühlt
oder gekühlt werden mit beliebiger Geschwindigkeit von der Endtemperatur, d. h.
von ungefähr 426°C ab bis zu atmosphärischer Temperatur. Eine Abschreckbehandlung
nach der Warmbehandlung verringert die für die Warmbehandlung benötigte Gesamtzeit.
Die Anfangstemperatur der verbesserten Alterungsbehandlung und die erforderliche
Zeit werden wesentlich bestimmt durch den kalt bearbeiteten Zustand des zu behandelnden
Materials. Im allgemeinen wird es vorgezogen, niedrigere Anfangstemperaturen zu
benutzen, je größer die Kaltbearbeitung ist. So entwickelt eine Legierung, welche
in dem weichen Zustand ist, d. h. warm gewalzt, geglüht oder leicht kalt bearbeitet
ist, Eigenschaften, die dem Maximum naheliegen, wenn sie während 1/2 bis 2 Stunden
bei einer Temperatur von ungefähr 650°C gehalten, zunächst mit einer Geschwindigkeit
von 28°C pro Stunde auf 593°C und dann mit einer Geschwindigkeit von 14°C je Stunde
oder weniger auf ungefähr 45o' C gekühlt wird. Eine Legierung, welche eine geringe
Kaltbearbeitung, wie z. B. ein halbhartes vergütetes Band, eine kalt gezogene Stange
usw., erfahren hat, entwickelt dem Maximum naheliegende Eigenschaften, wenn sie
während 8 bis 16 Stunden auf 58o' C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit
von 14°C oder weniger je Stunde auf ungefähr 430°C gekühlt wird. Während diese Arbeitsweise
besonders fürmäßig kalt bearbeitetes Material anwendbar ist, werden ausgezeichnete
Ergebnisse auch bei warm gewalzten und geglühten Materialien erhalten, d. h. bei
Materialien, die bei genügend hohen Temperaturen während des Heißwalzens fertiggestellt
worden sind oder die in dem weichen Zustand sind, wie er durch Abschrecken von 76o'
C oder höheren Temperaturen erhalten wird. Eine Legierung, die sehr viel Kaltbearbeitung
erfahren hat, wie federharter Draht und Band, entwickelt nahe dem Maximum liegende
Eigenschaften, wenn sie bei einer Temperatur von ungefähr 550°C gehalten und dann
in derselben Weise wie die mäßig kalt bearbeitete Legierung gekühlt wird.
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Die Eigenschaften der Nickel-Kupfer-Aluminium-Legierungen, die verbessert
sind, indem man sie aus den oben angegebenen Zusammensetzungen macht und sie in
der beschriebenen Weise warm behandelt, schließen die Dehnbarkeit in dem Warmbearbeitungsgebiet
von 76o bis 126o° C ein und die Erhaltung der Festigkeit und Dehnbarkeit, nachdem
sie hohen Temperaturen während langer Zeiträume ausgesetzt sind. Die Härte und Festigkeit
können um io oder 15 °/o im Vergleich zu den bisherigen Nickel-Kupfer Aluminium-Legierungen
gesteigert werden. Die besseren Zerreißeigenschaften werden ohne wesentlichen Abfall
i% der Dehnbarkeit erhalten. Warm ausgewalzte erfindungsgemäße Legierungen können
bis mindestens 265 Brinell durch Alterung gehärtet werden, und ungefähr 30o Brinell
stellt einen Mittelwert dar. Kalt gezogenes oder kalt bearbeitetes Material mit
kleineren Querschnitten von z. B. ungefähr 25,4 mm Querschnittsdicke erreicht im
allgemeinen Brinell Härtewerte von 325 oder mehr, wenn es, wie beschrieben, warm
behandelt wird; aber größere kalt bearbeitete Querschnitte ergeben keine höheren
Härtewerte als wenn dieselben Querschnitte warm gewalzt sind. Als ein Beispiel der
verbesserten Warmdehnbarkeit hat eine erfindungsgemäße Legierung ein Warmverformbarkeitsgebiet
von ungefähr 450°C, während eine Legierung von praktisch derselben Zusammensetzung,
aber ohne jedes Titan, nur ein Warmverformbarkeitsgebiet von ungefähr der Hälfte
hiervon hat. Dieser Unterschied in der Warmverformbarkeit stellt den Unterschied
dar zwischen Material, welches nicht wirtschaftlich, und dem Material, welches wirtschaftlich
verformbar ist.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen sind für die Herstellung vieler
verschiedener Artikel geeignet. Diese schließen ein: Walzen, Lagerkugeln, Lager-und
Laufringe für diese, Rollenketten, nicht magnetische Gesenkschmiedestücke und Verbindungsstangen
für Flugzeugkonstruktionen, Ventilsitze und andere Ventilteile, Pumpengestänge u.
dgl., Pumpengestängehülsen, Pumpenkolben für hohe Drucke und Temperaturen, Kolben,
Turbinenschaufeln, Turbinendiaphragmaschaufelung, Verschlußscheiben, Schrauben und
Muttern, Werkzeuge, Abschneidemesser u. dgl., Stifte und Nadeln, Federn und andere
federnde Elemente, Flugzeuginstrumententeile, Düsen für Brenner, Stangen, Bleche,
Band, Draht, gewalzte Barren, Profile usw.