Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung sowie deren Verwendung
als Werkstoff insbes. zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen
und von Werkzeugen und Komponenten im Offshore-Bereich und Bergbau.
Es ist bekannt, die relativ teuren Kupfer-Beryllium-Legierungen durch preiswertere
Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, beispielsweise im Bereich der
elektrischen und elektronischen Bauteile.
Nachdem das Umweltbewußtsein in der Bevölkerung immer stärker wird, rücken
Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit und Gesundheitsgefährdung zunehmend
in das Zentrum des Interesses. Jegliche Kritikpunkte gilt es zu vermeiden.
Wegen möglicher gesundheitsgefährdender Wirkungen von Be-Stäuben und
-Dämpfen, die bei unsachgemäßer Bearbeitung Be-haltiger Werkstoffe auftreten
können, werden daher zunehmend Forderungen nach Be-freien Werkstoffen
gestellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitere (Be-freie) Cu-Ni-Mn-Legierung
mit teilweise besseren Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Cu-Ni-Mn-Legierung gelöst, die aus
15 bis 25 % Nickel; 15 bis 25 % Mangan; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden
Zusatzes, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangabe
bezieht sich dabei auf das Gewicht).
Als spanbrechende Zusätze kommen dabei vorzugsweise Blei, Kohlenstoff, insbes.
in Form von Grafit- oder Rußpartikeln, und intermetallische Phasen in Betracht.
Die Bildung der intermetallischen Phasen wird dabei durch die Zugabe mindestens
eines Elements aus der Gruppe Phosphor, Silizium, Titan, Vanadium, Schwefel
bewirkt.
Aus der JP-OS 62-202.238 ist zwar eine Cu-Ni-Mn-Legierung mit 5 bis 35 % Nickel;
5 bis 35 % Mangan bekannt, die zusätzlich 0,01 bis 20 % eines oder mehrerer
Elemente enthält, die aus zwei Gruppen zahlreicher Elemente, darunter auch Blei,
ausgewählt werden können. Demgegenüber liegt mit der beanspruchten Legierungszusammensetzung
eine Auswahl vor; denn die beanspruchten Bereiche sind
eng gegenüber der Fülle von Variationsmöglichkeiten nach dem Stand der Technik.
Die beanspruchten Bereiche sind zudem weit entfernt von den Beispielen nach der
Tabelle der JP-OS. Außerdem liegt eine gezielte Auswahl vor, da durch den spanbrechenden
Zusatz zur Cu-Ni-Mn-Legierung überraschenderweise eine ausgezeichnete
Kombination von Festigkeit und Zähigkeit der Legierung erzielt wird, wie weiter
unten insbes. anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird.
Die Ansprüche 7 und 8 betreffen bevorzugte Legierungszusammensetzungen.
Eine besonders homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente
liegt dann vor, wenn die erfindungsgemäße Legierung nach dem Sprühkompaktierverfahren
hergestellt ist.
Der Urformprozeß für den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl.
den sog. "OSPREY"-Prozeß beispielsweise nach den GB-PSen 1.379.261/1.599.392
oder EPS 0.225.732). Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch
typische Warmformverfahren (Pressen, Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten
(Stangen, Rohren, Profilen, Buchsen) verarbeitet werden.
Die erfindungsgemäße Legierung läßt sich vorzugsweise als Werkstoff zur Herstellung
von lösbaren elektrischen Verbindungen, insbes. Steckverbindungen od.
dgl. verwenden, da sie das geforderte Eigenschaftsprofil weitgehend erfüllt; denn
Steckverbinder aus Kupferwerkstoffen müssen folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Hohe mechanische Festigkeit:
Steckverbinderwerkstoffe müssen allgemein eine hohe Festigkeit (hohe
Streckgrenze und hohe Härte) aufweisen, da Steck- und Ziehoperationen zu
keinen unzulässigen Verformungen des Steckers führen dürfen. 2. Gute Biegbarkeit:
Die Fertigung komplexer Komponenten erfolgt heute größtenteils an vollautomatischen
Mehrspindelautomaten oder Hydromaten. Die Teile werden
derart gefertigt, daß, im Gegensatz zu Bändern, keine Biegeoperationen
notwendig sind. Es bestehen daher keine Anforderungen an die Biegbarkeit
des Werkstoffs. 3. Gute Federeigenschaften:
Steckverbinder müssen im Einsatz eine einwandfreie Signalübertragung
gewährleisten. Ein guter Kontakt, selbst nach wiederholten Steck- und
Ziehoperationen, muß erhalten bleiben. Damit die federnde Wirkung auch
nach wiederholten Steck- oder Ziehoperationen erhalten bleibt, muß der
Werkstoff eine möglichst hohe Federbiegegrenze besitzen. 4. Spannungsrelaxation:
Steckverbinder werden in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt.
Der Temperaturanstieg resultiert aus Umgebungswärmen (z. B. durch
die Nähe zu Verbindungsmaschinen) und/oder die Eigenerwärmung bei
Stromdurchgang aufgrund des inneren Widerstands.Hinsichtlich der Bedeutung der Spannungsrelaxation wird auf unsere DE-PS
196 00 864 verwiesen. 5. Korrosionsfestigkeit:
Steckverbinder werden neben unterschiedlichen Temperaturbereichen auch
den verschiedensten Atmosphären ausgesetzt. Die Korrosionsfestigkeit muß
allgemein gegeben sein (z. B. Zusatz von Nickel). 6. Galvanisierbarkeit:
Steckverbinder werden üblicherweise mit Gold, Silber, Nickel u. a. Werkstoffen
beschichtet. Die aufgebrachte Schicht muß eine gute Haftung zum
Untergrundmaterial aufweisen. 7. Permeabilität:
Komponenten in der Hochfrequenztechnik dürfen keine magnetischen
Eigenschaften aufweisen, da es sonst zu Signalverzerrungen (z. B. Intermodulationsverzerrungen)
kommen kann.Viele Steckverbinder werden aus Messing gefertigt, das über eine Zwischenschicht
aus Nickel (leicht ferromagnetisch) vergoldet ist. Die Beschichtung
wird elektrolytisch aufgetragen.Die dabei entstehenden Nickelkristalle sind erfahrungsgemäß so klein, daß
eine elektromagnetische Polarisierung nicht oder nur eingeschränkt möglich
ist.
Die im Sprühkompaktierverfahren gefertigte Kupfer-Nickel-Mangan-Blei-Variante ist
im Gußzustand sehr feinkörnig. Das Verfahren garantiert darüber hinaus eine
homogene Nickelverteilung. Bei konventioneller Herstellung kommt es zur Ausbildung
von Zonen, die mit Nickel angereichert sind. Diese Kornseigerungen lösen
sich erfahrungsgemäß während der Weiterfertigung nicht ganz auf, so daß die HF-Tauglichkeit
nicht oder nur eingeschränkt gegeben ist.
Diese bleihaltige Variante weist eine feine Bleiverteilung auf und läßt sich gut
spanend bearbeiten.
Die gute Eigenschaftskombination der erfindungsgemäßen Cu-Ni-Mn-Legierung
bedingt zudem auch eine vorteilhafte Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von
Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes.
für Bohranlagen.
In der Offshore-Technik werden für hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten
(wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen, Bolzen, etc.) verlangt, die
hohe Belastbarkeit aufweisen und sehr gute Korrosionseigenschaften haben
müssen sowie weder ferromagnetisch sein dürfen noch beim Aufeinanderprallen
durch pyrophore Reaktionen wegspritzender Splitter Explosionen oder Feuer
auslösen dürfen. Für solche Anforderungen werden nach dem Stand der Technik
Komponenten und Werkzeuge aus Cu-Be-Legierungen eingesetzt, die diese
Eigenschaften in besonderer Weise auf sich vereinen. Es hat sich nun überraschend
herausgestellt, daß mit Cu-Ni-Mn-Legierungen der vorgeschlagenen Be-freien
Zusammensetzung nicht nur alle Anforderungen erfüllt werden können,
sondern auch beträchtliche Vorteile in der Verfügbarkeit gegenüber den gebräuchlichen
Cu-Be-Legierungen erzielt werden und bei Kombination mit der Herstellung
durch Sprühkompaktieren auch eine selektiv bessere technologische Eignung
gefunden wird, insbes. werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten
gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary
Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt.
Für Kupferwerkstoffe in diesem Einsatzgebiet werden folgende spezifische Eigenschaften
gefordert:
1. Magnetische Eigenschaften:
Um meßtechnische Anforderungen des Bohrstrangs im Bereich von Kompaßmeßsystemen
zu erfüllen (Messung des Erdmagnetfelds und der daraus
ableitbaren Richtungsinformation) müssen Bohrstrangkomponenten in
diesem Bereich unmagnetisch sein, da in Anwesenheit von magnetischen
Werkstoffen Fehlmessungen durch Beeinflussung des Magnetfeldes erfolgen.
Die magnetische Suszeptibilität χ sollte dementsprechend 20.10-6 nicht
überschreiten.
(Dabei gibt χ nach der GI. M = µo. χ . H das Verhältnis der Magnetisierung
M [ Vs / m 2] zur magnetischen Feldstärke H [ A / m] an, mit µo = 4 π . 10-7
= 1,256 . 10-6 [ Vs / Am] als magnetischer Feldkonstante.)
2. Streckgrenze/Härte:
Der Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikalisch/chemischen
Beanspruchungen. Die einzelnen Strangelemente werden durch Gewindeverbindungen
miteinander verbunden. Wegen der hohen Kräfte, die im
Bohrloch auftreten, werden die einzelnen Strangelemente unter Aufbringung
hoher Drehmomente miteinander verschraubt. Um plastische Verformungen
der Gewinde zu vermeiden, muß der Werkstoff eine hohe Streckgrenze
haben.
Die Bohrstrangoberflächen werden durch Abrasion und Erosion beansprucht.
Der Verschleiß wird durch eine möglichst hohe Materialhärte auf ein Minimum
reduziert.
3. Zähigkeit:
Die genauen Belastungskollektive sind in der Regel unbekannt. Untersuchungen
an aufgetretenen Schäden haben jedoch gezeigt, daß sehr hohe
schwingende aber auch schlagartige Belastungen auftreten können. Die
Zähigkeit der eingesetzten Werkstoffe spielt daher für das sichere Funktionieren
eine entscheidende Rolle. Die Zähigkeit der eingesetzten Kupferlegierung
sollte deshalb für ein Festigkeitsniveau maximiert und möglichst gleichmäßig
über den Querschnitt sein.
4. Korrosionsbeständigkeit:
Auf der Sohle des Bohrlochs werden die Felsformationen mechanisch
zertrümmert und mit einer sogenannten Bohrspülung an die Oberfläche
gepumpt. Erhöhte Temperatur und der chemische bzw. physikalischchemische
Angriff durch die Spülflüssigkeit erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit
der verwendeten Werkstoffe. Insbesondere muß der Werkstoff
in schwefelhaltigen Medien resistent gegen Spannungsrißkorrosion sein.
5. Freßverhalten:
Die Verschraubung der einzelnen Bohrstrangelemente unter hohem Drehmoment
darf zu keiner Kaltverschweißung ("Fressen") führen. Daher sollten
möglichst artfremde Materialien (z. B. Stahl mit NE-Metall) miteinander
verbunden werden.
Bei Gewindeverbindungen von Bohrstrangkomponenten aus austenitischen,
nichtmagnetisierbaren Stählen werden deshalb oftmals Zwischenstücke aus
einer hochfesten Kupferlegierung dazwischengeschraubt. Als geeigneter
Kupferwerkstoff wurde bisher beispielsweise Kupfer-Beryllium (UNS C 17200)
eingesetzt.
Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die bei
austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars")
verwendet werden.
Ausführungsbeispiel:
In der folgenden Tabelle sind insbes. die mechanischen Eigenschaften einer
erfindungsgemäßen Legierung CuNi20Mn20Pb0,05 (sprühkompaktiert) und einer
CuBe2-Legierung gegenübergestellt. Als Proben wurden Stangen, hergestellt durch
Sprühkompaktieren, Strangpressen und Ziehen bis 50 % Kaltverformung, angelassen
verwendet. Die Vergleichsdaten zur CuBe2-Legierung entstammen der Literatur.
Legierung | Streckgrenze Rp 0,2 [MPa] | Zugfestigkeit Rm [MPa] | Dehnung A5 [%] | Vickershärte HV | elektr. Leitfähigkeit % IACS |
CuNi20Mn20Pb0,05 | 1000 - 1300 | 1100 - 1400 | 1 - 6 | bis 370 | bis 2,5 |
CuBe2 | bis 1400 | bis 1500 | 1 - 6 | bis 430 | bis 25 |
Es zeigt sich, daß mit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber den CuBe-Legierungen
ein ausgezeichneter Kupferersatzwerkstoff zur Verfügung steht.