NL9000019A - Koper-mangaan-aluminium legeringen met verbeterde eigenschappen. - Google Patents

Description

Koper-mangaan-aluminium legeringen met verbeterde eigen¬schappen.

Het doel van de onderhavige uitvinding is de bereiding vaneen mangaan- en aluminiumhoudende koperlegering, welke geenverschijnselen van brosheid vertoont bij langzame afkoelingvan voorwerpen uit deze legering vervaardigd.

Een dergelijke legering bevat 10-55 gew.% mangaan, 2-10 gew.%aluminium, 0,5-5 gew.% ijzer, 2-8 gew.% nikkel en voor derest koper, waaraan volgens de uitvinding 0,25-2,5 gew.% ti¬taan is toegevoegd.

De uitvinding heeft betrekking op voorwerpen uit onderhavigelegering bereid, welke kunnen worden toegepast in zwaar- enwisselend belaste konstruktiedelen werkzaam in korrosievemilieu's.

Voorwerpen bereid uit mangaan- en aluminiumhoudende koperle-geringen zonder toevoegingen van titaan zijn bekend en o.a.beschreven in het Britse octrooischrift nr. 727,021 en hetNederlandse octrooischrift nr. 288920.

Deze koper-mangaan-aluminium legeringen zonder toevoeging vantitaan zijn onderhevig aan structuurveranderingen bij langza¬me afkoeling van het materiaal, kleiner dan 100 "C/uur, waar¬door brosheidverschijnselen optreden, welke beschreven zijnin de literatuur 1. Deze brosheidverschijnselen leiden vroeg¬tijdig tot breuk, vooral bij dynamisch belaste onderdelen inagressieve milieu's, waardoor de legering niet geschikt isvoor deze toepassing.

Door toevoeging van 0,25-2,5 gew.% titaan aan deze legeringworden structuurveranderingen, welke leiden tot brosheid te¬gengegaan en blijft het materiaal voldoende duktiel, zelfs nalangzame afkoeling.

Door de aanwezigheid van titaan in mangaan- en aluminiumhou¬dende koperlegeringen wordt tevens een aanzienlijke verbete¬ring van de korrosie- en oxidatiebestendigheid en korrosie-vermoeiingseigenschappen van het materiaal verkregen.Bovendien blijft de legering gekenmerkt door een zeer hogeslijtvastheid, goede mechanische eigenschappen en een hoogdempingsvermogen bij mangaangehalten boven 45 gew.%.

Door de toevoeging van titaan aan de mangaan- en aluminium-houdende koperlegeringen kan de uitscheiding van een onedele,brosse fase in de struktuur van het materiaal tijdens afkoe¬len van een hoge temperatuur worden tegengegaan.

Het optreden van deze onedele, brosse fase in de structuur enhet effekt op de materiaaleigenschappen is uitvoerig bestu¬deerd en beschreven 2.

In het betreffende artikel staat vermeld, dat afhankelijk vande samenstelling en afkoelsnelheid van het materiaal een man¬gaanrijke fase van het type Mn (β) tot uitscheiding komt. Mn(β) is een allotrope modificatie van het element mangaan meteen komplexe, kubische struktuur, welke bij hoge temperaturenvoorkomt in het mangaanrijke deel van het systeem koper-man-gaan. Bij koper-mangaan legeringen treedt Mn (β) pas op ineen volledige evenwichtstoestand bij zeer langzame afkoelingvan het materiaal.

Toevoeging van kleine hoeveelheden aluminium en of zink engrote hoeveelheden ijzer en nikkel hebben een stabiliserendewerking op de vorming van Mn (β).

Zo treedt een fase van het type Mn {β) reeds op bij langzameafkoeling van een mangaan- en aluminiumhoudende koperlegeringmet meer dan 13 gew.% mangaan en 6 gew.% aluminium waaraangeringe hoeveelheden ijzer en nikkel zijn toegevoegd.

Deze fase van het type Mn (β) ontstaat door een interaktievan aluminium, ijzer en mangaan, welke elementen zich bijafkoelen uitscheiden door oververzadiging van het oplossings-gebied. Bij overschreiding van de plaatselijke concentratiesvan ijzer, mangaan (ongeveer 35 gew.%) en aluminium (ongeveer7 gew.%) wordt een fase van het type Mn (β) gevormd.

De aanwezigheid van ijzer en nikkel in het mangaan- en alumi¬niumhoudende koperlegeringen is essentieel met betrekking totde sterkte- en korrosieeigenschappen van het materiaal.

De uitvinding berust er nu op, dat door toevoeging van eenafgestemde hoeveelheid titaan aan mangaan- en aluminiumhou¬dende koperlegering bevattende ijzer en nikkel geen uitschei¬ding van een brosse fase van het type Mn (β) ontstaat.

Titaan in de legering heeft nu de werking met ijzer, nikkelen aluminium een afzonderlijke, duktiele fase te vormen.

Hiervoor moeten de gehaltes van de elementen titaan, ijzer ennikkel in een bepaalde hoeveelheid en verhouding aanwezigzijn.

Het titaangehalte moet minimaal gelijk zijn aan de helft vanhet ijzergehalte om de vorming van een afzonderlijke, duktie-le fase te doen plaatsvinden.

Het nikkelgehalte moet minimaal gelijk zijn aan tweemaal hettitaangehalte om de hoeveelheid nikkel, welke door de optre¬dende fase aan de matrix wordt onttrokken, te kunnen compen¬seren.

Naast genoemde elementen mag de legering ook een bepaaldehoeveelheid zink bevatten. Dit maakt het mogelijk dat de le¬gering wordt gesmolten in een oven waarin vooraf messing isgeweest. Zo kan gemakkelijk worden overgeschakeld van alumi-niumbrons via betreffende legering naar messing en omgekeerd.Bij aanwezigheid van zink in de legering moet rekening wordengehouden met een aluminiumequivalent van ongeveer 0,3%.

Binnen het samenstellingsgebied van de legering volgens deuitvinding zijn een aantal proefstukken gegoten en afgekoeldmet verschillende snelheden. Van deze proefstukken zijn ver¬schillende mechanische eigenschappen gemeten, welke wordenvergeleken met soortgelijke legeringen zonder toevoeging vantitaan en onder dezelfde omstandigheden afgekoeld (zie tabel 1.). Van een aantal van deze legeringen met vergelijkbarelangzame afkoelsnelheden zijn de korrosie- vermoeiingseigen-schappen gemeten. Deze eigenschappen worden weergegeven doorhet aantal wisselingen tot breuk bij een gegeven belastings-toestand van een proefstaaf in een 3% natriumchloride oplos¬sing (zie tabel 2).

Tabel 1 : Vergelijking mechanische eigenschappen koper-mangaan-aluminium legeringen meten zonder toevoeging van titaan bij verschillende afkoelsnelheden.

Tabel 2 : Vergelijking korrosie-vermoeiingseigenschappen ko-per-mangaan-aluminium legering met en zonder toe¬voeging van titaan.

Sm = gemiddelde trekspanningSa = amplitude wisselspanning &Nf = aantal wisselingen in een 3% natriumchloride oplossingtot breuk.

Literatuur opgave.

1. Frost S.W., Raymond L, 'Thermal embrittlement in a Mn-Ni-Al bronze Casting Alloy', AFS Transactions, Vol 146, pp653-658 (1980).

2. Wenschot P, 'The embrittlement of cast manganse-nickel-aluminiumbronzes', nog niet gepubliceerd (1989).

Claims (5)

1. De bereiding van een mangaan- en alminiumhoudende koperle-gering bevattende 10-55 gew.% mangaan, 2-10 gew.% alumini¬um, 0,5-5 gew.% ijzer, 2-8 gew.% nikkel en voor de restkoper, waaraan 0,25-2,5 gew.% titaan is toegevoegd.

2. Legeringen volgens conclusie 1, met het kenmerk dat hettitaangehalte minimaal gelijk is aan de helft van hetijzergehalte en het nikkelgehalte minimaal gelijk is aantweemaal het titaangehalte.

3. Legeringen volgens bovenstaande conclusies met het kenmerkdat het aluminiumgehalte ten dele vervangen is door zinktot een maximum van 10 gew.% zink.

4. Voorwerpen volgens voorgaande conclusies met het kenmerk dat deze bestaan uit een legering met de volgende samen¬stelling : 5-8 gew.% aluminium 10 - 30 gew.% mangaan 0,5 - 3 gew.% ijzer 2 - 6 gew.% nikkel 0,5 - 2 gew.% titaan 0 - 5 gew.% zink Rest koper met een gehalte verontreinigingenvan maximaal 0,5 gew.%.

5. Voorwerpen volgens conclusies 1, 2 en 3 met het kenmerk dat deze bestaan uit een legering met de volgende samen¬stelling : 2-6 gew.% aluminium 45 - 55 gew.% mangaan 0,5 - 3 gew.% ijzer 2 - 6 gew.% nikkel 0,5 - 2 gew.% titaan 0 - 5 gew.% zink Rest koper met een gehalte verontreinigingenvan maximaal 0,5 gew.%.