DE1955449C - Kupfer Eisen Aluminium Legierungen - Google Patents

Description

Ein bekannter Vorschlag (USA.-PatentschKft 3 384 517) betrifft Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierungen. die 35 bis 75 Gewichtsprozent Kupfer, 20 bis 50"η Eisen und 15 bis 5% Aluminium enthalten. Es handelt sich bei diesen Legierungen um einen kupferreichen Mischkristall, enthaltend 5 bis 10"Ό Aluminium, und einen eisenreichen Mischkristall, enthaltend 10 bis 20% Aluminium, wobei der letztere als disperse Phase vorliegt und durch eine Warmverformung in eine faserige Form gebracht werden kann, ι ο

Die Ursache für die guten mechanischen Eigenschaften derartiger Werkstoffe liegt darin, daß der kupferreiche Mischkristall als kontinuierliche Phase den eisenreichen Mischkristall als disperse Phase enthält, und zwar nach Umformung in faseriger Form. die als Verstärkung der Grundmasse wirkt. Trotz der guten mechanischen Eigenschaften derartiger Werkstoffe läßt ihre Korrosionsbeständigkeit noch zu wünschen übrig.

Es ist also unwahrscheinlich, daß wegen ihrer weitgehenden Oxydation diese Grundlegierungen selbst unter normalen atmosphär.schen Bedingungen oder gar bei der Marine Verwendung finden können.

Die Erfindung bringt nun ähnliche Legierungen, die jedoch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Die Korrosionsbeständigkeit ist jedoch von besonderer Bedeutung. Die Korrosionsbeständigkeit bestimmter Werkstoffe hängt weitgehend von den Umgebungsbedingungen im Rahmen der Anwendung ab. Der Werkstoff kann in üblichen Untersuchungen zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit, nämlich durch Tauchen in eine 3%ige Kochsalzlösung, gute Ergebnisse liefern. Dadurch erhält man gewisse Anhaltspunkte über die Verwendbarkeit des Werk-Stoffs bei der Marine. Derartige Untersuchungen können zwar zeigen, daß der in Rede stehende Werkstoff zufriedenstellt, indem er nicht fleckig wird oder oberflächlich korrodiert, mit anderen Worten, daß er unter normalqn Umweltsbedingungen ohne einer Verfärbung beständig ist. Damit ist jedoch noch lange nicht gesagt, daß ein solcher Werkstoff bei der Anwendung auf See keine Korrosionserscheinungen an der Oberfläche zeigt. Andere Werkstoffe können, trotzdem sie bei den extremen Beanspruchungen im Rahmen der Seefahrt nicht entsprechen, in korrosiver Atmosphäre bei höheren Temperaturen sehr zufriedenstellend sein, wenn es um eine gute Zunderfestigkeit geht und eine Farbveränderung des Materials keine wesentliche Bedeutung hat. Es gibt die verschiedensten Arten und Stufen der Korrosionsbeständigkeit; wie aus der Beschreibung noch hervorgehen wird, geht es erfindungsgemäß um Legierungen der Grundzusammensetzung im Sinne des älteren Vorschlags, die zumindest in einer Hinsicht besonders korrosionsbeständig sind.

Nach der Erfindung werden der Grundlegierung aus 35 bis 75% Cu, 20 bis 50% Fe und 15 bis 5% Al, die aus einem kupferreichen Mischkristall mit 5 bis 10% Al und darin eingebettet einer dispersen Phase in Form eines eisenreichen Mischkristalls mit 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 10% Al weitere Legierungselemente zugesetzt, um die eisenreiche, feste Lösung edler zu machen und/oder um auf dieser eisenreichen Phase einen haftenden Schutzfilm zu erzeugen. Diese zusätzlichen Legierungselemente sind Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän und Kobalt als eine Gruppe und Titan. Niob. Tantal. Zirkonium und Silicium als andere Gruppe. Der Gew.chisanteil dieser zusätzlichen Legierungselemente betragt jeweils h,s etwa 15% Die erste Gruppe führt zu edleren Eigenschaften der Legierung, wohingegen die zweite Gru, ·,· die Ausbildung einer Schutzschicht auf dem VV₁K-stolT begünstigt. In manchen Fallen kann eines oder mehrere Legierungselemcnte. die als erfindungsücmäße Zusätze dienen, auch mehr als eine Funktion

erfüllen. · ,

Die oben angesehenen Grenzwerte sind unu-r Berücksichtigung" von üblichen Analysenlehlern und Produktionsschwankungen zu verstehen.

Es zeiete sich, daß bei alleiniger Anwendung \>.r, Chrom e"s zu einer Konzentration in der eisenreichon Phase kommt, wohingegen bei alleiniger Anwendung von Nickel dieses in geringerem Ausmaß in üi-r Kupferphase angereichert wird. Werden nun bei<k· Legierungselemente angewandt, so kommt es zu einem vorteilhaften Einfluß in beiden Phasen. Die Löslich keit beider Legierungselemente in der eisenreiche.i Phase ist etwas erhöht. Darin kann jedoch nicht allem die Ursache für die Verbesserung der Eigenschaften gesehen werden.

Bevorzugt sind erfindungsgemäße Legierungen mit beträchtlichen Anteilen an Zusätzen, und zwar mehl mehr als etwa 15% je Legierungselement. Liegt in der Legierung Nickel und/oder Chrom vor. so soll der Nickelgehalt vorzugsweise zwischen 3 und 12% und der Chromgehalt zwischen 3 und 9% liegen. Besonders geeignet sind Legierungen mit fünf Komponenten, nämlich 47,4% Kupfer, 30,7% Eisen. 7% Aluminium. 7,4% Nickel und 7,5% Chrom. In dieser Legierung ist das Aluminium im wesentlichen gleichmäßig verteilt zwischen der eisenreichen und kupferreichen Phase. Korrosionsprüfungen mit diesen Legierungen ergaben, daß die Korrosionsbeständigkeit merklich verbessert ist. selbst bei Anwendung im Rahmen der Schiffahrt.

Nach einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierungen weisen diese eine Matrix aus einem kupferreichen Mischkristall, enthaltend 5 bis 10% Aluminium, auf, in welchem ein eisenreicher, disperser Mischkristall, enthaltend etwa 5 bis 10%. gegebenenfalls jedoch bis 20% Aluminium, vorliegt. Erfindungsgemäß enthalten diese Legierungen sowohl Nickel als auch Chrom.

Während bei den Legierungen jach dem älteren Vorschlag besondere Bedeutung der faserigen Form der eisenreichen Phase zuzumessen ist, liegt bei vorliegender Erfindung die Bedeutung nicht so sehr darauf. Die erfindungsgemäßen Legierungen müssen nicht unbedingt die disperse Phase in Form von faserigen Einlagerungen aufweisen. Bei den obenerwähnten Legierungen aus fünf Komponenten zeigte sich, daß die Korrosionsbeständigkeit bemerkenswert ist, und zwar im Zustand unmittelbar nach dem Abgießen sowie nach einer mechanischen Verformung.

Um die Verbesserung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierungen zu zeigen, werden im folgenden die Ergebnisse von Versuchen mit vergleichbaren Legierungen mitgeteilt. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen, wobei Legierung A die Grundlegierung ist und die Legierungen B, F, G, H, I und K Nickel und Chrom enthalten. Diese Legierungen Hilden eine Gruppe, da in diesem 5-Komponenten-System der Gehalt an Nickel variiert wird, wohingegen der Anteil an Aluminium und Chrom im wesent-

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lichen konstant bleibt. Die Legierung D enthält Nickel und Chrom in im wesentlichen gleichen, vergleichsweise jedoch geringeren Anteilen, wohingegen Legierung M einen besonders niederen Aluminiumgehall aufweist. Die Legierung L enthält zusätzlich Kohlenstoff, die Legierungen C, E und J enthalten als korrosionshindernden Zusatz entweder nur Nickel oder nur Chrom.

Tabelle

.eüierung	Cu	Fc	ΛI	Cr	Ni	C
Λ	61.0	27.5	11,5
F	50,47	33,2	7,0	7,47	1,86
G	49.96	32,78	7,0	7,47	2,79
H	49,44	32,37	7,0	7,47	3,72
B	47,38	30,71	7,0	7,47	7,44
I	43.30	27,06	6,89	7,91	15,02
K	48.63	22.03	7,06	5,98	16,24
M	46.20	29.75	5,0	7,65	Π.4
D	49.70	36.3	7,0	3,74	3,26
L	47.38	32,33	7,0	5,81	7,44	0,04
C	51,34	34,61	7,5		6,37
E	51.5	34,03	7,0	7,47
J	51.4	36,15	7,27	5,02

Es wurden im Laboratorium Vergleichsversuche über die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen im Gußzustand durchgeführt, und zwar in unbewegter 3%iger Natriumchloridlösung. In folgender Tabelle ist der Gewichtsverlust in g/dm² angegeben.

Tabelle 2

	Tage	7	Λ	F	G	H	B	0	I
0	bis	14		1.11	1,00	2,58		0.24
0	bis	28		1.01	0,79	1,63		0.33"
0	bis	52	3.99	0,96	0,86	1,08		0.25
0	bis	56	4.34				0
0	bis	70		1.01	0,77	0,77
0	bis	91					0.06	0.22
0	bis	99		0.97	0,69	0,63
0	bis	114						0,24
0	bis	127	3,93	0.94	0,63	0,64
0	bis	141					0,09	0,27
0	bis	155		0,91	0,61	0,57
0	bis	169						0.30
0	bis	186		0,83	0,59	0,50
0	bis	206		0.78	0,52	0,47		0,31
0	bis	239	3.72				0,19
0	bis	365					0.28
0	bis

K	0	M	D	L	C	E	J
0,15	0	1,79		5.27	1,56	2,66
0,20	0	2,92	0,01	5,32	1,33	3,24
	0	3,50		4,98	1,39	3,51
			0,34
0,23	0	3,71			1,44
				4.25		3,92
0,21		3.16			1,42
			0,28	4,14		4.05
0,21		2,88			1,42
			0,34	406		4,06
0,25		2,73			1,43
			0,38	4,22	1,41	4,10
0,24		2,55
		2,43		4,09	1,37	4,05
		0,35

0 bis 7
Obis 14
0 bis 28
Obis 52
0 bis 56
0 bis 70
0 bis 91
Obis 99
Obis 114
Obis 127
Obis 141
0 bis 155
0 bis 169
0 bis 186
0 bis 206
0 bis 239
0 bis 365

Vergleicht man die Daten der Legierungen A und B, so zeigt sich, daß der Einfluß durch den Nickel- und Chromgehalt auf die ternäre Legierung beträchtlich ist.

Wird die Legierung B warm gewalzt, so zeigen sich nach einem Korrosionstest über 42 Tage nur wenige Rostflecken, und nach 3monatiger Tauchzeit zeigte sich, daß die Legierung B in gegossenem und warmgewalztem Zustand noch immer sehr viel weniger korrodiert war als die Legierung A und auch alle anderen ternären Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierungen bei diesen Untersuchungen übertraf.

Die Legierung B blieb sowohl im Gießzustand als auch warm gewalzt bei Innenanwendung zumindest 6 Monate blank und kann daher zweckmäßigerweise als Ersatz für Messing für dekorative Zwecke angewandt werden, welches unter normalen Umweltsbedingungen bereits matt wird.

Die Farbe der Legierungen liegt zwischen Stahlgrau und Champagner. Die erfindungsgemäßen Legierungen können hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften zwischen nicht magnetisch und ferromagnetisch liegen.

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die Legierungen F, G, H. I und K nicht ganz so beständig sind, möglicherweise weil die Zusammensetzungen nicht exakt vergleichbar sind. Es zeigt sich, daß die Korrosionsbeständigkeit dieser Gruppe von Legierungen etwa mit steigendem Anteil an Nickel zunimmt. Dadurch erhält man wenigstens eine Faustregel zur Auswahl für spezielle Anwendungszwecke. Die Untersuchungen der Legierung M wurden weitergeführt, jedoch ist diese Legierung offensichtlich besonders korrosionsbeständig.

Legierung D zeigt möglicherweise wegen des geringen Anteils an Chrom und/oder Nickel nur wenig verbesserte Eigenschaften gegenüber anderen nickel- und chromhaltigen Legierungen.

Legierung L mit ihrem Kohlenstoffgehalt ist nach der Verformung warm aushärtbar, s-? daß man die angestrebte Harte einstellen kann. Die Korrosionsbeständigkeit ist gut; obzwar sich die Legierung bei diesen sehr rauhen Versuchsbedingungen nicht so sehr gut erwies, zeigte sich doch, daß sie ausreichend

beständig ist gegen das Anlaufen oder die Oberflächenverfiirbung. Die Legierung J zeigt sich nicht besser gegenüber der Legierung A. Bei den Versuchen mit der Kochsalzlösung jedoch ist sie trotz allem außerordentlich gut hinsichtlich einer oberflächlichen Verfärbung oder Anlaufen. Sie ist sehr geeignet zur Herstellung von Bestecken und scheint ein guter Ersatz für korrosicnsbeständigen Stahl zu sein. Aus diesem Grund kann man auch diese und andere Legierungen nach der Erfindung im Bauwesen anwenden.

Einige der erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich leicht warm walzen, einige kalt walzen und einige sowohl kalt als auch warm walzen. Bei einigen verformten Legierungen wird die eisenreiche disperse Phase wohl faserig vorliegen, wodurch im Sinne des Hauptanspruchs die mechanischen Eigenschaften der Legierungen verbessert werden.

Prüfstäbe aus Legierung B im Gießzustand weisen eine Bruchfestigkeit von etwa 83,5 kg/mm² auf, bei 0,1% Grenze 44 kg/mm² bei einer Dehnung von 17%. Beim Kaltwalzen mit einer Querschnittsverminderung von etwa 18% und siebenmal Zwischenglühen bei 97O°C beträgt die Zerreißfestigkeit 105 kg/mm² und die Streckgrenze 37 kg/mm².

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierung aus 35 bis 75% Cu, 20 bis 50% Fe und 15 bis 5% Al, aus einer Grundmasse aus kupferreichem Mischkristall, enthaltend 5 bis 10% Aluminium, und einer dispersen Phase in Form eines eisern eichen Mischkristalls, enthaltend 5 bis 20%, vorzugsweise 5 bis 10% Aluminium, gekennzeichnet durch zumindest ein zusatzliches Legierungselement in Form von Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän, Kobalt, Titan, Niob, Tantal, Zirkonium und/oder Silicium in die Korrosionsbeständigkeit verbessernden Mengen jeweils bis zu 15%.

2. Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Nickel 3 bis 12% beträgt.

3. Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Chrom 3 bis 9% beträgt.

4. Kupfer-Eisen-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 47,38% Kupfer, 30,71% Eisen, 7% Aluminium, 7,47% Chrom und 7,44% Nickel.