DE2051493B2

DE2051493B2 - Verwendung von kupferlegierungen und verfahren zur herstellung der zu verwendenden legierungen

Info

Publication number: DE2051493B2
Application number: DE19702051493
Authority: DE
Inventors: Herbert Columbus Ohio Greenewald jun (V-StA.)
Original assignee: Berry Metal Co, Harmony, Pa. (V-StA.)
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1970-10-20
Publication date: 1977-11-10
Also published as: US3615374A; FR2069490A5; GB1332315A; JPS5015210B1; DE2051493A1; CA924933A

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kupferlegierungen und Verfahren zur Herstellung der zu verwendenden Legierungen.

Die metallurgische Prüfung von zu Bruch gegangenen, gegossenen Kupferteilen und geschmiedeten Kupferteilen, die Temperaturen von 371 bis 538°C unter Spannung von 2,8 bis 3,5 kp/mm-' über längere Zeiträume ausgesetzt waren, hat ergeben, daß das grundlegende Phänomen, das Rißbildung oder Abblättern und Erosionserscheinungen der Metalloberfläche in diesen Teilen bewirkt, eine Versprödung ist. Eine derartige Versprödung ist offensichtlich mit der Ausscheidung von eisenangereichertem und möglicherweise auch chromangereichertem Material an den Korngrenzenzonen des Kupfers verbunden und erfolgt in Form von nahezu ununterbrochenen Filmen, und zwar entweder allein oder mit nachfolgender Oxidation oder einem Sulphidierungsangriff in solchen eisen- und/oder chromangereicherten Zonen.

Es sind nun Kupfer-Zirkonium-Legierungen mit bis zu 15% Zirkonium und bis zu 15% Aluminium bekannt, sowie deren Verwendung für Materialien, die bei erhöhten Temperaturen elastischen Dauerbeanspruchungen unterworfen sind, beispielsweise Lagerschalen und Federn (DT-PS 6 23 845).

Diese bekannten Kupferlegierungen versagen jedoch

JIt

-r> dort, wo die Beanspruchung über besonders lange Zeiten und bei hohen Temperaturen erfolgt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Verwendungsmöglichkeiten für Kupferlegierungen weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Verwendung von Kupferlegierungen vorgeschlagen, die 0,005 bis 0,03% Zirkonium, 0,005 bis 0,03% Aluminium, Res'. Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen, unter letzteren Spuren bis 50 ppm Eisen und bis zu 10 ppm Chrom, enthalten, für Gegenstände, die bei 371 bis 538" C langzeitig Spannungen von 2,8 bis 3,5 kp/mm² ausgesetzt werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen haben sich Verfahren besonders bewährt, bei denen in dem einen Fall das verunreinigte Kupfer unter Vakuum erschmolzen, durch Einblasen von Sauerstoff in die Schmelze reduzierend behandelt, die Legierungselemente zugegeben, die so entstandene Legierung durch Einblasen von Argon durchmischt, im Vakuum vergossen wird und das Gußstück im Vakuum erstarrt, und in dem anderen Fall reduziertes Kupfer unter Inertgas geschmolzen, legiert, gemischt und vergossen wird.

Die auf diese Weise hergestellte Legierung zeichnet sich durch ein erhebliches Hinausschieben des Versprödungsbeginns aus, wenn sie bei den genannten erhöhten Temperaturen, bei denen eisenangereicherte und chromangereicherte Materialien rascher diffundieren und unter Spannungsbeanspruchung verwendet werden. Obgleich Zusätze der genannten Zirkonium- und Aluminiumlegieiungselemente zum Kupfer in Mengen, die größer als der angeführte Bereich sind, die hinauszögernde Versprödung, die sonst erreicht wird, nicht negativ beeinflussen können, das heißt also, diese Verzögerung nicht mindern sondern oftmals sogar die erzielte Verbesserung noch verstärken, können größere Mengen andere Eigenschaften nachteilig beeinflussen, so beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit herabset

Die Menge des mit demselben Kupfer legierten Aluminiums entspricht im praktischen Anwendungsfall im wesentlichen der Zirkoniummenge, obgleich proportional größere Anluminiummengen in gewissen Grenzen keine nachteiligen Auswirkungen hinsichtlich der Verzögerung des Versprödungsbeginns zu haben scheinen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsvorschlags sind Gegenstand der Erfindung.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren muß vermieden werden, daß die Legierungselemente unter Metallschmelztemperaturen Sauerstoff ausgesetzt werden. Außerdem sollten die Legierungsbedingungen so gewählt werden, daß sich die Zirkonium- und Aluminiumzusätze nicht in einer Oxid-Nitrid- oder Karbid-Form befinden, da sie sonst nicht die gewünschte Wirkung haben. Demzufolge werden die genannten Legierungsbestandteile am besten in einer metallischen Form vereinigt. Es kann angenommen werden, daß Homologe der Legierungselemente, insbesondere Hafnium, sich ebenfalls zur Erzielung der genannten Vorteile eignen.

Die Vergleichswerte in den folgenden Tabellen I und II zeigen die Bedeutung des gemachten Verfahrensvorschlags in bezug auf das Herbeiführen einer Verzögerung beim Versprödungsbeginn unter Zugbeanspruchung und erhöhten Temperaturen. Die Tabelle I enthält Informationen in bezug auf die verbesserten Legierungen, während die Tabelle II andererseits sich auf Kupfer bezieht, da; in einer herkömmlichen Weise

»giert ist. In jedem Fall jedoch wurde das geprüfte, igierte Metall auf eine Weise hergestellt, die eine Reduktion bewirkte, und wurde in Zugstabform einer Zugspannung von wenigstens 2,8 kp/mm-' und einer Temperatur von annähernd 510⁰C unterworfen. Die Zeit bis zur Versprödung (Bruch) unter den speziellen Versuchsbedingungen ist für jede diesbezügliche Schmelzlegicrungsverbindung angeführt.

Tabelle 1

Schmelzen Bedingung
Nr.

Prozent Zirkonium Prozent
Aluminium

Prozent
Kupfer

Stunden bis zum Bruch

16	wie gegossen	0,005	0,01	99,97	226
34	wie gegossen	0,01	0,02	99,96	179
35	wie gegossen	0,02	0,02	99,95	176
89	wie gegossen	0,02	0,3	99,60	336»)

*) Versuchsdurchführung bei einer Zugbelastung von 3,5 kp/mm²; bei darauffolgender Belastung bis zu 4,9 kp/mm² ging der Stab nahezu sofort zu Bruch.

Tabelle II

Schmelzen Bedingung
Nr.

Prozent Zirkonium Prozent
Aluminium

Prozent
Kupfer

Stunden bis zum Bruch

15	wie gegossen	0	0,01	99,97	0,2
33	wie gegossen	0	0	99,98	0,1
36	wie gegossen	0,002	< 0,001	99,99	38,3
ETP	geschmiedet	0	0	99,88	2,2
OFHC	geschmiedet	0	0	99,99	4,0

Die in den obigen Tabellen mit 0 angegebenen Mengen waren nicht meßbar und werden deshalb als nicht vorhanden oder nur in Spuren vorhanden (weniger als etwa 50 ppm Gewichtsteile) angesehen. Der Eisengehalt jeder Legierung wurde in jedem Fall zu weniger als 30 ppm (weniger als 0,003% bestimmt. Solche Mengenbestimmungen ergaben sich aus spektrographischen Analysen.

Aus den erzielten Verbesserungen beim Legieren läßt sich auch herleiten, daß das Verfahren zum Legieren

r> von Kupfer mit bestimmten Mengen an Zirkonium und Aluminium den Eisengehalt des Kupfers erheblich reduziert. Ir. einem Fall wurde festgestellt, daß das Ausgangskupfer mit einem Eisengehalt von annähernd 50 ppm (Gewichtsteile) nach Abschluß des Legierens mit Zirkonium und Aluminium einen Eisengehalt von annähernd 10 ppm (Gewichtsteile) aufwies.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von Kupferlegierungen, die 0,005 bis 0,03% Zirkonium, 0,005 bis 0,03% Aluminium, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen, unter letzteren Spuren bis 50 ppm Eisen und bis zu 10 ppm Chrom, enthalten, für Gegenstände, die bei 371 bis 538°C langzeitig Spannungen von 2,8 bis 3,5 kp/mm² ausgesetzt werden.

2. Verwendung von Kupferlegierungen nach Anspruch 1, die 0,005 bis 0,01 % Zirkonium und 0,005 bis 0,1% Aluminium enthalten, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung von Kupferlegierungen nach Anspruch 1, die 0,005% Zirkonium und 0,001% Aluminium enthalten, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung von Kupferlegierungen nach Anspruch 1, die 0,02% Zirkonium und 0,3% Aluminium enthalten, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verfahren zur Herstellung der nach den Ansprüchen 1 bis 4 zu verwendenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß verunreinigtes Kupfer unter Vakuum erschmolzen, durch Einblasen von Sauerstoff in die Schmelze reduzierend behandelt, die Legierungselemente zugegeben, die so entstandene Legierung durch Einblasen von Argon durchmischt, im Vakuum vergossen wird, und daß das Gußstück im Vakuum erstarrt.

6. Verfahren zur Herstellung der nach den Ansprüchen 1 bis 4 zu verwendenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß reduziertes Kupfer unter Inertgas geschmolzen, legiert, gemischt und vergossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Argon verwendet wird.