DE1242882B - Verwendung von ternaeren Kupfer-Zirkonium-Legierungen fuer Gegenstaende hoher Warm- und Dauerstandfestigkeit sowie gutem Verformungsvermoegen und Verfahren zur Aushaertung solcher Gegenstaende - Google Patents

Description

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DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. U :

C22c

Deutsche KL: 40 b - 9/00

Nummer: 1 242 882

Aktenzeichen: V17664 VT a/40 b

Anmeldetag: 1. Dezember 1959

Auslegetag: 22. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von ternären Kupfer-Zirkonium-Legierungen für Gegenstände, die sich durch hohe Warmfestigkeit und hohe Dauerstandfestigkeit bzw. Zeitstandfestigkeit auszeichnen und außerdem ein gutes Verformungsvermögen, eine hohe Dehnung und gute Einschnürung besitzen.

Es ist allgemein bekannt, daß an aus Kupfer bestehende Bauteile häufig recht beträchtliche Anforderungen sowohl bei hohen als auch bei tieferen Temperaturen gestellt werden. Handelsübliches Kupfer mit einem Reinheitsgrad von über 99% weist wohl hohe Leitwerte für die Wärme und den elektrischen Strom auf, ist jedoch Dauerbeanspruchungen unter einer gleichzeitigen Wärmeeinwirkung, die gewöhnlich als Zeitstandfestigkeit bezeichnet wird, nicht gewachsen. Diesbezüglich konnten mit Legierungen aus Kupfer vielfach bessere Ergebnisse erzielt werden. Zu diesen Legierungen zählen z. B. solche mit etwa 0,25% Zirkonium. Aber auch für diese Legierungszusammensetzung besteht hinsichtlich der Beanspruchungsmöglichkeit insofern eine Grenze, als schon bei verhältnismäßig kleinen Belastungen sich eine Neigung zur Sprödbrüchigkeit zeigt. Die aus ,. diesen Werkstoffen angefertigten Werkstücke oder Halbzeuge brechen bei einer verhältnismäßig niedrigen mechanischen Beanspruchung in der Wärme, ohne sich vorher merklich verformt zu haben.

' Zweistofflegierungen des Kupfers mit 0,02 bis 5% ' Zirkonium wurden zur Verwendung für elektrische Leitungen vorgeschlagen. Die in der Wärme wichtige Zeitstandfestigkeit wurde dabei jedoch nicht erwähnt. Auch die Bedeutung eines bestimmten Sauerstoffgehaltes für die Ausbildung dieser Eigenschaft konnte aus dieser Literatur nicht entnommen werden. Da üblicherweise solche Legierungen, aus sauerstofffreiem Kathodenkupfer hergestellt werden, war bei diesen Legierungen auch kein zufälliger, die Zeitstandfestigkeit und sonstige technologische Eigenschaften beeinflussender Sauerstoffgehalt zu erwarten. Es sind ferner warmfeste binäre Kupfer^Zirkonium-Legierungen mit 0,003 bis 0,15% Zirkonium bekannt, die jedoch sauerstofffrei sind

In einer als gutachtliche Äußerung zu wertenden, nachveröffentlichten Literaturstelle, in der unter anderem die Behandlung von aushärtbaren Kupferlegierungen mit 0,1 bis 6% Zirkonium beschrieben ist, wird zwar die Möglichkeit des Vorhandenseins von bis zu 0,1% Zirkoniumoxid erwähnt, jedoch darauf hingewiesen, daß dieser Gehalt so niedrig wie möglich zu halten sei. Von einem Einfluß eines Sauerstoffgehaltes in Kupfer-Zirkonium-Legierungen auf Verwendung von ternären Kupfer-Zirkonium-Legierungen für Gegenstände hoher Warmund Dauerstandfestigkeit sowie gutem
Verformungsvermögen und Verfahren
zur Aushärtung solcher Gegenstände

Anmelder:

Vereinigte Deutsche Metallwerke

Aktiengesellschaft,

Frankfurt/M., An der Sandelmühle

Als Erfinder benannt:

Dr. Kürt Dies, Bad Homburg v. d. Höhe

die Zeitstandfestigkeit war dort jedoch ebenfalls nicht die Rede.

Andersartige zirkoniumhaltige Kupferlegierungen enthalten wesentlich höhere Zirkoniummengen bis zu 15%. Hierdurch gelingt es, die Schwingungs- und Vibrationsfestigkeit außerordentlich zu erhöhen. Derartige Legierungen finden daher als Bauteile da Anwendung, wo sie einer elastischen Dauerbeanspruchung unterworfen sind, wie z.B. als Lagerschalen für Maschinen, die mit hohen Umdrehungszahlen laufen. Auch Federn in runder oder flacher Form können aus solchen Werkstoffen angefertigt sein. Erhöht wird diese Wirkung noch durch Zusatz metallischer Zusätze, wie z. B. Eisen, Kobalt, Nickel, Silber, Zink, Aluminium u. a.

Es wurde nun gefunden, daß Warmfestigkeit, Dauerstandfestigkeit und die Zeitstandfestigkeit bei gleichzeitig gutem Verformungsvermögen bei Legierungen dieser Art besonders gute Werte aufweisen, wenn der 0,25% Zirkonium übersteigende Anteil dieser Komponenten durch Sauerstoff zum Teil abgebunden wird, so daß eine Dreistofflegierung mit 0,1 bis 1,5% Zirkonium, 0,01 bis 0,1% Sauerstoff, Rest Kupfer vorliegt. Diese Dreistofflegierungen sind auch in der Wärme widerstandsfähiger als die reinen Zweistoff legierungen. Sie zeichnen sich außerdem

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durch höhere Dehnung und Einschnürung im Zugversuch aus und liefern daher längere Standzeiten bis zum Bruch. Die Legierung wird daher für Gegenstände verwendet, die solche Eigenschaften aufweisen müssen. Zweckmäßig ist es, bei solchen erfindungsgemäßen Anforderungen Legierungen zu verwenden, bei denen etwa 0,2 bis 0,3% metallisches Zirkonium in Form von Cu₃Zr in der Grundmasse gelöst oder verteilt und überschüssiges Zirkonium durch Zugabe von Sauerstoff abgebenden Mitteln in Form von Zirkoniumoxid abgebunden wurde. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß eine feine Verteilung der Zirkoniumoxide günstiger als eine grobe ist.

Die Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen kann auf verschiedene Weise erfolgen. So kann z. B. von einer sauerstoffhaltigen Kupferschmelze ausgegangen werden, deren Sauerstoffgehalt durch Leitwertmessungen oder durch Bruchproben oder auch durch Schliffuntersuchungen genau auf den gewünschten Sauerstoffgehalt eingestellt ist.

Zu dieser wird kurz vor dem Vergießen metallisches Zirkonium oder eine Zirkonium-Kupfer-Vorlegierung mit etwa 5O^fl/o Kupfer zugegeben und anschließend sofort vergossen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, zunächst in der üblichen Weise eine desoxydierte Kupferschmelze herzustellen. Dieser Schmelze wird in der gewünschten Menge Zirkonium zulegiert und erst dann durch Zugabe von sauerstoffhaltigem Kupfer ein Teil des metallischen Zirkoniums in der Form des Oxids abgebunden und in der Schmelze belassen. ■

Die Legierungen können natürlich auch auf dem Sinterwege hergestellt werden, indem beispielsweise zirkoniumhaltiges Kupferpulver und sauerstoffhaltiges Kupferpulver miteinander gemischt werden und das Pulver dann zu Preßlingen verformt und schließlich bei einer Temperatur von etwa 900 und 1020° C in einer neutralen Atmosphäre gesintert wird.

Gesinterte Teile aus Kupfer—Zirkonium oder auch gegossene oder geknetete Formstücke können mit Sauerstoff weiterhin dadurch angereichert werden, daß sie bei Temperaturen zwischen 600 und 1020⁰C, vorzugsweise zwischen 800 und 900⁰C, in einem oxydierenden Medium geglüht werden und auf diese Weise eine teilweise Umwandlung der Kupfer-Zirkonium-Partikeln in Zirkoniumoxid erfolgt. Die Feinheit der Zirkoniumpartikeln läßt sich bei diesem Verfahren Weiterhin durch die Wahl der Temperatur regeln. Das Zirkonium scheidet sich bekanntlich bei Temperaturen um 600° C in feindisperser Form aus, so daß bei diesen Glühtemperaturen auch mit einer entsprechend feinen Verteilung des Zirkoniumoxide ZrO₃ gerechnet werden kann.

Es ist ferner festgestellt worden, daß die Rekristallis'ationstemperatur dieser erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen außerordentlich hoch liegt.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen finden vorzugsweise für Halbzeuge, ferner für Preß- und Gußteile Verwendung, die einer hohen Beanspruchung in der Wärme ausgesetzt sind.

Um den Erfindungsgedanken deutlich erkennen zu können, sind die zwei nachstehenden Legierungen hinsichtlich ihrer Dauerstand- und Zeitstandfestigkeit, gemessen in Form der Zeitdehngrenze bzw. Zeitstandfestigkeit bei 200° C, untersucht worden.

Die Legierungen haben folgende Zusammensetzung:

1. 0,24% Zr, 0,01% O₂, Rest Cu;

2. 0,18% Zr, Rest Cu.

Legie- Legierung 1 rung 2

σ 0,1%/ 500 Stunden (kg/mm²) .. 33,0 26,0

σ 0,1%/1000 Stunden (kg/mm²) .. 32,0 25,0

oB/ 100 Stunden (kg/mm²) .. 40,0 31,0

σB/ 1000 Stunden (kg/mm²) .. 36,5 30,0

Die Legierung 1 weist im Vergleich zu der sauerstofffreien Legierung 2 eine überraschend höhere Dauerstand- und Zeitstandfestigkeit auf.

Die aus solchen Legierungen hergestellten Gegenstände werden zweckmäßig einer Aushärtung durch Wärmebehandlung mit oder ohne zwischengeschalteter Kaltverformung unterworfen.
Es wird dabei zweckmäßig so vorgegangen, daß die Gegenstände einer Glühung bei 800 bis 1020⁰C unterworfen, in Wasser abgeschreckt und abschließend entweder mit oder ohne vorgeschalteter Kaltverformung einer Wärmeaushärtung bei 400 bis 600⁰C für Va bis 10 Stunden unterworfen werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verwendung ternärer Kupfer-Zirkonium-Legierungen, bestehend aus 0,1 bis 1,5% Zirkonium, 0,01 bis 0,1% Sauerstoff, Rest Kupfer, für Gegenstände, die sich durch hohe Warmfestigkeit und hohe Dauerstandfestigkeit bzw. Zeitstandfestigkeit auszeichnen und außerdem ein gutes Verformungsvermögen, eine hohe Dehnung und gute Einschnürung besitzen.

2. Verwendung von Legierungen der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei mindestens 0,05%, vorzugsweise 0,2%, Zirkonium im Mischkristall in metallischer Form vorliegen, während überschüssiges Zirkonium an Sauerstoff gebunden ist, für den im Anspruch genannten Zweck.

3. Verfahren zur Aushärtung von entsprechend Anspruch 1 oder 2 zusammengesetzter und zu verwendender Gegenstände, dadurch gekennzeichnet, daß sie einer Wärmebehandlung mit oder ohne zwischengeschaltete Kaltverformung unterzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände einer Glühung bei 800 bis 1020⁰C unterworfen, in Wasser abgeschreckt und abschließend entweder mit oder ohne vorgeschalteter Kaltverformung einer Warmaushärtung bei 400 bis 600⁰C für Va bis 10 Stunden unterworfen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 691138, 721 683;

USA.-Patentschriften Nr. 2 842 438, 2 879 191;

»DIN-Taschenbuch 4«, Teil B, 1954, S. 77;

A. H. F. Goederitz, »Metallguß«, Bd. II, 1955, S. 531 und 545;

■ »Zeitschrift für Erzbergbau und Metallhüttenwesen«, IV (1951), S. 169 bis 208 und 377 bis 380; »Metall«, 11 (1957), S. 933 bis 941;

»Zeitschrift für Metallkunde«, 50 (1959), S. 57 bis 70;

Deutsches Kupfer-Institut, »Hochleitfähige Kupferlegierungen«, 1958, S. 21 und 22.