EP1251186A1 - Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung und deren Verwendung - Google Patents

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EP1251186A1
EP1251186A1 EP01109659A EP01109659A EP1251186A1 EP 1251186 A1 EP1251186 A1 EP 1251186A1 EP 01109659 A EP01109659 A EP 01109659A EP 01109659 A EP01109659 A EP 01109659A EP 1251186 A1 EP1251186 A1 EP 1251186A1
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copper
manganese alloy
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manganese
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EP01109659A
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Andreas Dr. Bögel
Klaus Dr. Ohla
Hilmar R. Dr. Müller
Frank Michael Keppeler
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Wieland Werke AG
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Wieland Werke AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/05—Alloys based on copper with manganese as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a copper-nickel-manganese alloy and the use thereof as a material, in particular for the production of detachable electrical connections and of tools and components in the offshore area and mining.
  • the invention is therefore based on the object of a further (Be-free) Cu-Ni-Mn alloy with better properties.
  • the object is achieved by a Cu-Ni-Mn alloy, which consists of 15 to 25% nickel; 15 to 25% manganese; 0.001 to 1.0% of a chip breaking Additive, the rest copper and usual impurities, exists (the percentage refers to the weight).
  • Lead, carbon in particular, preferably come as chip-breaking additives. in the form of graphite or soot particles, and intermetallic phases.
  • the formation of the intermetallic phases is at least by the addition an element from the group phosphorus, silicon, titanium, vanadium, sulfur causes.
  • Claims 7 and 8 relate to preferred alloy compositions.
  • a particularly homogeneous and low-segregation distribution of all alloy elements is present when the alloy according to the invention is produced by the spray compacting process.
  • the master molding process for the copper material is carried out by spray compacting (cf. the so-called "OSPREY” process, for example according to GB-PS 1,379,261 / 1,599,392 or EPS 0.225.732).
  • OSPREY so-called "OSPREY” process, for example according to GB-PS 1,379,261 / 1,599,392 or EPS 0.225.732
  • As a preform there are bolts that are processed into semi-finished products (bars, tubes, profiles, bushings) using typical thermoforming processes (pressing, rolling, forging).
  • the copper-nickel-manganese-lead variant produced in the spray compacting process is very fine-grained when cast.
  • the process also guarantees a homogeneous nickel distribution.
  • zones are formed that are enriched with nickel.
  • This lead-containing variant has a fine distribution of lead and is easy to machine.
  • the good combination of properties of the Cu-Ni-Mn alloy according to the invention also requires an advantageous use as a material for the production of Tools and components for the offshore area and mining, esp. for drilling rigs.
  • the drill string is subject to high mechanical and physical / chemical Stresses.
  • the individual strand elements are made by threaded connections connected with each other. Because of the high forces in the Borehole occur, the individual strand elements are being applied high torques screwed together. About plastic deformations To avoid the thread, the material must have a high yield strength to have.
  • the drill string surfaces are stressed by abrasion and erosion.
  • the wear is minimized by the highest possible material hardness reduced.
  • the exact load collectives are usually unknown. investigations of damage that has occurred, however, has shown that very high vibrating but also sudden loads can occur.
  • the toughness of the materials used therefore plays a role in the safe functioning a crucial role.
  • the toughness of the copper alloy used should therefore be maximized for a strength level and as even as possible be across the cross section.
  • the rock formations become mechanical on the bottom of the borehole smashed and with a so-called drilling fluid to the surface pumped. Elevated temperature and the chemical or physico-chemical Attack by the rinsing liquid requires a high level of corrosion resistance of the materials used. In particular, the material be resistant to stress corrosion cracking in sulphurous media.
  • Non-magnetizable steels are therefore often made of intermediate pieces a high-strength copper alloy screwed in between.
  • copper material has been copper beryllium (UNS C 17200) used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Cu-Ni-Mn-Legierung, die aus 15 bis 25 % Ni; 15 bis 25 % Mn; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden Zusatzes (Blei, Kohlenstoff usw.), Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht. Die Legierung läßt sich vorzugsweise als Ersatzwerkstoff für Be-haltige Kupferwerkstoffe zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen oder zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau einsetzen.

Description

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.

    Claims (15)

    1. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 15 bis 25 % Nickel; 15 bis 25 % Mangan; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden Zusatzes, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht.
    2. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als spanbrechenden Zusatz Blei enthält.
    3. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als spanbrechenden Zusatz Kohlenstoff enthält.
    4. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Kohlenstoff in Form von Grafitpartikeln mit einer mittleren Korngrößenverteilung von 0,5 bis 1000 um enthält.
    5. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Kohlenstoff in Form von Rußpartikeln mit einer mittleren Korngrößenverteilung von 0,01 bis 1500 µm enthält.
    6. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als spanbrechenden Zusatz intermetallische Phasen enthält.
    7. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 17 bis 23 % Nickel und 17 bis 23 % Mangan enthält.
    8. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie 19,5 bis 20,5 % Nickel und 19,5 bis 20,5 % Mangan enthält.
    9. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie in sprühkompaktierter Form vorliegt.
    10. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente vorliegt.
    11. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mittlere Korngröße DK = 50 bis 70 µm aufweist.
    12. Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einem Bleizusatz bis max. 1 % eine feine Bleiverteilung aufweist.
    13. Verwendung einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 als Werkstoff zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen, insbes. Steckverbindern od. dgl.
    14. Verwendung einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen.
    15. Verwendung einer Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 als Werkstoff, der die Anforderungen gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt, für den Zweck nach Anspruch 14.
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