DE1458428C

DE1458428C - Kupferlegierung

Info

Publication number: DE1458428C
Authority: DE
Inventors: Leendert Drunen Bosman (Niederlan de)
Original assignee: Lips N V , Drunen (Niederlande)
Publication date: 1971-07-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupferlegierung mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Kavitation und Erosion in Meerwasser, die Mangan und Aluminium enthält.

Aus 2 bis 4% Eisen, 1,5 bis 6°/₀ Nickel, 6,5 bis 9°/o Aluminium, mehr als 10 bis 15°/o Mangan, Rest mindestens 70°/₀ Kupfer bestehende Legierungen sind bekannt (deutsche Auslegeschrift 1066 029). Weiterhin ist eine einphasige Schmiedelegierung bekannt (britische Patentschriften 835 477 und 835 478), die bis 5% Eisen, bis 6% Nickel, 5 bis 20% Mangan, 1,5 bis 7% Aluminium und 0,01 bis 0,2°/₀ Arsen, Antimon oder Phosphor und Kupfer als Rest enthält. Das Arsen, das Antimon oder der Phosphor erhöhen die Korrosionsbeständigkeit, indem sie ein Ausziehen von Aluminium aus der Legierung verhindern. Derartige· bekannte Legierungen haben insbesondere einen Bestandteil von 5 bis 13°/o Mangan. Versuche sind mit einer Legierung mit 12% Mangan durchgeführt worden.

Weiterhin sind Legierungen aus 8,5 bis weniger als 10% Mangan, 8,5 bis 10,5% Aluminium, 2,5 bis 5% Eisen, 2 bis 3% Nickel, weniger als 0,25% Verunreinigungen wie etwa Zink, Blei und Silizium und Kupfer als Rest bekannt (französische Patentschrift

1 177 060). Derartige Legierungen weisen eine gute Beständigkeit gegenüber Korrosion sowie Kavitation und Erosion in Seewasser auf.

Des weiteren sind Kupferlegierungen zur Herstellung von Gußteilen, Blech- und Schmiedeteilen bekannt, die aus 7 bis 28% Mangan, 2 bis 9% Aluminium,

2 bis 8% Zink, gegebenenfalls unter anderem bis 1 % Eisen, Rest Kupfer bestehen (britische Patentschrift 295 769).

Weitere bekannte (<x+/3)-Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen setzen sich aus mehr als 15 bis 35% Mangan, 3,5 bis 9,5 °/₀ Aluminium, 2 bis 4% Eisen, 1 bis 6% Nickel, Rest Kupfer zusammen und sollen zur gußtechnischen Herstellung von Schiffsschrauben verwendet werden (französische Patentschrift 1 278 946).

In eine weitere bekannte Legierung, die einen niedrigen Aluminiumgehalt aufweist (britische Patentschrift 868 276), ist Zink einlegiert, wobei weiterhin 6 bis 20% Mangan, mehr als 60 bis 80% Kupfer, gegebenenfalls unter anderem bis 1,5% Aluminium, bis 5% Eisen und bis 8% Nickel, Rest mindestens 1,5% Zink vorgesehen sind. Schließlich sind schon seewasserbeständige Aluminiumbronzen mit einer Eisen- und eisenreichen Phase zur Herstellung von Schiffsschrauben bekannt, die aus 8 bis 10,5% Aluminium, 0 bis 3% Nickel, 0,5 bis 8% Mangan, 4,5 bis 10% Eisen, 0,5 bis 2,5% Zink, Rest Kupfer bestehen, wobei der Eisengehalt mindestens das 3fache des Nickelgehaltes ausmacht (britische Patentschrift 762 235).

Über die durch die bekannten Legierungen erreichte gute Korrosionsbeständigkeit hinaus sollten jedoch bei Einhaltung der anderen üblichen guten mechanischen Eigenschaften und Verarbeitungseigenschaften die Herstellungsbedingungen verbessert werden können. Dies ist im wesentlichen die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Die Erfindung ist auf dem überraschenden Gedanken aufgebaut, daß die Beständigkeit gegenüber Korrosion und insbesondere die Beständigkeit gegenüber Kavitation und Erosion derartiger Legierungen in ..-.,..,^e.e.wasser, insbesondere bei hohen relativen Wassergeschwindigkeiten, durch Mangangehalte von 10 bis 16% verbessert werden können. Dabei werden gute mechanische Eigenschaften, wie etwa Zugfestigkeit, 0,2-Streckgrenze, Bruchdehnung, Brucheinschnürung und Ermüdungsfestigkeit bei Drehbiegung sowohl in Luft als auch in Seewasser ohne eine Erhöhung des Schmelzpunktes aufrechterhalten, weiterhin auch gute Schweißbarkeit, Verformbarkeit in heißem Zustand und Preßbarkeit, falls eine derartige Legierung mit ίο der folgenden Zusammensetzung hergestellt wird:

1 bis 9% Eisen,

0 bis 7% Nickel, das gegebenenfalls ganz oder

teilweise durch Kobalt ersetzt werden kann, mit der Maßgabe, daß Eisen und Nickel zusammen 3 bis 14% ausmachen und der Mindestgehalt an Eisen bei Abwesenheit von Nickel und/oder Kobalt 3% beträgt,
3 bis 9% Aluminium,

10 bis 16% Mangan,

1 bis 7% Zink,

Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Weiterhin hat es sich in dieser Hinsicht ergeben, daß Zink einen Teil des Aluminiums in seiner Einwirkung auf die mechanischen Eigenschaften und auf die mit Eisen angereicherte Phase während der Verfestigung der geschmolzenen Legierung ersetzen kann, wodurch unter anderem die Korrosionsbeständigkeit beeinflußt wird. Dies bedeutet, daß während der Herstellung des Schmelzbades der Legierung nicht nur Aluminium (und gegebenenfalls Mangan), sondern auch Zink verwendet wird, um die Bedingungen und die Zusammensetzung sowie schließlich die Eigenschaften der Legierung zu korrigieren. Dadurch wird die Herstellungsfreiheit erhöht. Der Einfluß von Aluminium ist so ausgeprägt, daß der Aluminium-Prozentsatz sehr kritisch ist und kleine, möglicherweise unbeabsichtigte Abweichungen von dem Aluminiumgehalt einen großen Einfluß haben. Zink ist in dieser Hinsicht weniger kritisch.

Es hat sich ergeben, daß Zink eine sogenannte Aluminium-Gleichwertigkeit von ungefähr 0,3 bis 0,4 besitzt. Daraus folgt, daß sehr viel mehr Zink zugesetzt werden könnte, ohne daß große Änderungen der Eigenschaften auftreten würden, wie sie durch Aluminium verursacht werden.
Zink hat einen sehr viel niedrigeren Schmelzpunkt als Mangan, das wiederum eine niedrigere Aluminium-Gleichwertigkeit als Zink hat, nämlich ungefähr 0,1 bis 0,2. Demgemäß ist weniger Zink als Mangan für die gleiche Wirkung erforderlich. Dabei ist Zink nicht ,nur wirtschaftlicher als Mangan, sondern sein niedriger Schmelzpunkt ermöglicht es, das geschmolzene Bad schneller und mit weniger Wärmeenergie herzustellen, insbesondere mit Bezug auf die endgültigen Korrekturen des Schmelzbades.

Das überraschende Wesen der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, daß bisher in vergleichbaren Kupferlegierungen mit verhältnismäßig hohem Mangangehalt Zink nicht verwendet worden ist, wie etwa in der oben antefü lrten Legierung mit 2 bis 4% Eisen, 1,5 bis 6% Nickel, 6,5 bis 9% Aluminium, mehr als 10 bis 15% Mangan und Kupfer als Rest. In der Veröffentlichung der British Standards Institution: B.S. 1400: 196t: Schedule of Copper Alloy Ingots and Copper Alloy Castings, S. 65 bis 68, wird das

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vollständige Fehlen von Zink in Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen vorausgesetzt.

Bei einigen der bekannten Legierungen (französische Patentschrift 1 278 946, deutsche Auslegeschrift 1066 029) ist also, wie schon gesagt, das völlige Fehlen von Zink Voraussetzung. Bei der beschriebenen bekannten Legierung' mit niedrigem Aluminiumgehalt (britische Patentschrift 868 276) wird Zink verwendet, dabei handelt es sich aber um Legierungen mit höchstens 1,5% Aluminium. Solche Legierungen mögen für verschiedene Zwecke sehr brauchbar sein, nicht aber für die Zwecke, denen der Erfindungsgegenstand dienen soll, wobei ein Aluminiumgehalt von mindestens 3°/o Voraussetzung ist. Dagegen ist der Gehalt an Zink bei diesen bekannten Legierungen sehr hoch. Es handelt sich dort im wesentlichen um eine Messinglegierung und nicht um eine Bronzelegierung. Wenn der ältere Erfinder in der britischen Patentschrift 868 276 neben anderem auch ziemlich niedrige Zinkgehalte erwähnt, so geschah dies offensichtlich aus dem Streben, ein möglichst großes Legierungsgebiet zu erfassen, nicht aber aus den Erkenntnissen heraus, die hinsichtlich den Möglichkeiten der Schmelzbadkorrektur der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen. Im übrigen sind in den in dieser Patentschrift angeführten Beispielen Zinkgehalte von ungefähr 2O°/o und mehr angegeben; des weiteren ist dort hervorgehoben, daß es sich im wesentlichen bei diesen Legierungen um Messinglegierungen für Gleitlager handeln soll. Es ist dort offensichtlich nicht erkannt worden, welche Rolle der Zinkgehalt in Verbindung mit den anderen Legierungskomponenten im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit spielen soll.

Andere bekannte Legierungen (britische Patentschrift 762 235) stimmen zwar mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag hinsichtlich der Bestandteile der Legierung überein, nicht aber hinsichtlich der prozentualen Anteile. Dort sollte vor.allem auch der Eisengehalt mindestens das 3fache eines vorgesehenen Nickelgehaltes betragen. Überraschenderweise haben nun bestimmte Anforderungen bezüglich des Verhältnisses des Gehaltes an Eisen und Nickel zueinander in Bereichen eines höheren Mangangehaltes keine Rolle gespielt, wie durchgeführte Versuche ergeben haben, während der Fachmann nach der britischen Patentschrift 762 235 das Gegenteil hätte erwarten können und müssen.

Schließlich besteht bei der Gegenüberstellung der bekannten Legierung (britische Patentschrift 295769) mit der erfindungsgemäßen Legierung zwar eine scheinbare Überschneidung, als in beiden Legierungen ein Eisengehalt von 1 % möglich ist. Erfindungsgemäß ist dieser Eisengehalt von wenigstens 1 °/₀ jedoch im Zusammenhang mit einem mindestens ebenso wichtigen bestimmten Nickelgehalt zu sehen. Während bei der bekannten Legierung Nickel oder Eisen mit 1% enthalten sein soll.ist nach der Erfindung Nickel und Eisen gemeinsam vorgesehen, und zwar zusammen mit 3 bis 14%. Ein Unterschied von wenigstens 2% im Gehalt an Eisen uiid Nickel ist aber für das Legierungsgefüge. außerordentlich wichtig. Es ergibt sich eine wesentlich andere Legierungsart gegenüber der bekannten Legierung, die an sich von Zinnbronzen ausgegangen war, wobei d,as. Zinn durch Mangan ersetzt werden sollte. , ^ . . ·

Die Erfindung wird nachstehend auf der Grundlage der folgenden Beispiele weiter erläutert.

Beispiel I

Die folgenden Stoffe wurden miteinander verschmolzen:

6,6% Eisen,

2,7% Nickel,

6,7% Aluminium,
11,7% Mangan,

1,8% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Diese Legierung wurde in eine mit Zement gebundene Sandform gegossen. Die Untersuchung einer Probe dieser Legierung ergab die folgenden Werte:

Zugfestigkeit 67 kg/mm-

Bruchdehnung 30% (1/d - 5)

Brucheinschnürung 34,4%

Beispiel II

Eine Legierung wurde in folgender Zusammensetzung hergestellt:

6,0% Eisen,

2,7% Nickel,

6,4% Aluminium,
12,2% Mangan,

5,2% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Die Untersuchung einer Probe ergab:

Zugfestigkeit 72,7 kg/mm²

Bruchdehnung 25,5 % (1/d = 5)

Beispiel III

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

3,2% Eisen,

2,7% Nickel,

8,1% Aluminium,
11,9% Mangan,

3,6% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Eine Probe wurde untersucht und ergab die folgenden Werte:

Zugfestigkeit 80,7 kg/mm²

Bruchdehnung 19,5% (1/d = 5)

Brucheinschnürung 17%.

Beispiel IV

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

6,8% Eisen,

0,14% Nickel,

7,1% Aluminium,
10,8% Mangan,

4,9% Zink, . ,

Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Eine Probenuntersuchung ergab:

Zugfestigkeit L- 68,3 kg/mm³

Bruchdehnung "..:.: '.'.. .30%(l/d= 5)

Brucheinschnürung- ......... 38%.

Beispiel V

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

6,6⁰A, Eisen,

5,07o Nickel.

5,8°/₀ Aluminium,
15,4°/_O Mangan,

4,3% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Eine Probcnuntersuchung ergab:

Zugfestigkeit 72,3 kg/mm²

Bruchdehnung 16% (1/d = 5)

Brucheinschnürung 15,4%

Die Legierung wurde, wie unter Beispiel VI beschrieben, untersucht und dann mit der in diesem Beispiel angegebenen bekannten Legierung verglichen. Die Korrosionsbeständigkeit der Legierung nach der Erfindung war ungefähr 15% besser als die der bekannten Legierung. Die Beständigkeit gegenüber Kavitation und Erosion war auch in diesem Falle ungefähr 100% besser als die der bekannten Legierung.

ίο Eine Probe der Legierung nach Beispiel VII hatte im stranggepreßten Zustand folgende Werte für die mechanischen Eigenschaften:

Zugfestigkeit 65 kg/mm²

0,2-Streckgrenze 42 kg/mm²

»5 Bruchdehnung 32% (1/d = 5)

Beispiel VI

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

6.5% Eisen.

2.7% Nickel.

6,5% Aluminium,
11,5% Mangan, 4.1% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Bei einer Untersuchung einer Probe wurden folgende Werte gefunden:

Zugfestigkeit 67,9 kg/mm²

0,2-Streckgrenze 29,6 kg/mm²

Bruchdehnung 25% (1/d = 5)

Diese Legierung ist bezüglich ihrer Beständigkeit gegenüber Korrosion sowie gegenüber Kavitation und Erosion in Seewasser bei einer Geschwindigkeit von 38 m/sec mit der folgenden bekannten Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierung: Eisen 2,74%, Nickel 2,03%, Aluminium 8,45%, Mangan 12,04%, Rest Kupfer und Verunreinigungen verglichen worden, ^₀ die bei einer Aluminium-Gleichwertigkeit von 10,25 folgende mechanischen Eigenschaften aufweist:

Zugfestigkeit 68,5 kg/mm²

0,2-Streckgrenze 30,8 kg/mm⁸

Bruchdehnung 18,3 % (1/d = 5)

Aus dem Vergleich hat sich ergeben, daß die Korrosionsbeständigkeit der Legierung nach der Erfindung, Beispiel VI. ungefähr 60% höher ist als die der bekannten Legierung. Die Beständigkeit gegenüber Kavitation und Erosion war ungefähr 100% höher als die der bekannten Legierung.

Beispiel VIII

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

4,5% Eisen,

2,1% Nickel,

0,8% Kobalt,

6,4% Aluminium,
12,1% Mangan,

4,9% Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Die Untersuchung einer Probe davon ergab:

Zugfestigkeit 71,8 kg/mm²

Bruchdehnung 26,5% (1/d = 5)

Alle Prozentsätze in der Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen sind Gewichts-Prozentsätze.

Beispiel VIII

Eine Legierung mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:

2,7% Eisen,

2,9% Nickel,

6,7% Aluminium,
12,2% Mangan,

4,4°/o Zink,
Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen.

Die Untersuchung einer Probe ergab:

Zugfestigkeit 12,6 kg/mm²

0,2-Streckgrenze 31,7 kg/mm²

Bruchdehnung 22,9% (1/d-5)

Claims

Patentansprüche:

1. Kupferlegierung mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Kavitation und Erosion in Meerwasser, die Mangan und Aluminium enthält, gekennzeichnet durch nachfolgende Zusammensetzung:

1 bis 9 °/₀ Eisen,

0 bis 7% Nickel, das gegebenenfalls ganz

oder teilweise durch Kobalt ersetzt werden kann, mit der Maßgabe, daß Eisen und Nickel zusammen 3 bis 14% ausmachen und der Mindestgehalt an Eisen bei Abwesenheit von Nickel und/oder Kobalt 3% beträgt,

3 bis 9% Aluminium,
10 bis 16% Mangan,

1 bis 7% Zink,

Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

2 bis 7% Eisen,

1 bis 5% Nickel,

5 bis 8% Aluminium,

10 bis 16% Mangan,

1,6 bis 5,5% Zink,
Rest Kupfer undübliche Verunreinigungen.

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3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, O,35fachen des Zink-Prozentsatzes zum Alumigekennzeichnet durch einen über 3,5 °/₀ liegenden nium-Prozentsatz berechnete Aluminium-Gleich-Zinkgehalt. Wertigkeit 7 bis 13 beträgt.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2,

5. Kupferlegierung nach Anspruch 4, dadurch dadurch gekennzeichnet, daß die durch Zuzählen 5 gekennzeichnet, daß die Aluminium-Gleichwertigdes 0,15fachen des Mangan-Prozentsatzes und des keit 9 bis 11,5 °/o beträgt.