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(11) | EP 1 251 186 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung und deren Verwendung |
| (57) Die Erfindung betrifft eine Cu-Ni-Mn-Legierung, die aus 15 bis 25 % Ni; 15 bis 25
% Mn; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden Zusatzes (Blei, Kohlenstoff usw.), Rest
Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht. Die Legierung läßt sich vorzugsweise als Ersatzwerkstoff für Be-haltige Kupferwerkstoffe zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen oder zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau einsetzen. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung sowie deren Verwendung als Werkstoff insbes. zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen und von Werkzeugen und Komponenten im Offshore-Bereich und Bergbau.
[0002] Es ist bekannt, die relativ teuren Kupfer-Beryllium-Legierungen durch preiswertere Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen zu ersetzen, beispielsweise im Bereich der elektrischen und elektronischen Bauteile.
[0003] Nachdem das Umweltbewußtsein in der Bevölkerung immer stärker wird, rücken Gesichtspunkte der Umweltverträglichkeit und Gesundheitsgefährdung zunehmend in das Zentrum des Interesses. Jegliche Kritikpunkte gilt es zu vermeiden.
[0004] Wegen möglicher gesundheitsgefährdender Wirkungen von Be-Stäuben und -Dämpfen, die bei unsachgemäßer Bearbeitung Be-haltiger Werkstoffe auftreten können, werden daher zunehmend Forderungen nach Be-freien Werkstoffen gestellt.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitere (Be-freie) Cu-Ni-Mn-Legierung mit teilweise besseren Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Cu-Ni-Mn-Legierung gelöst, die aus 15 bis 25 % Nickel; 15 bis 25 % Mangan; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden Zusatzes, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangabe bezieht sich dabei auf das Gewicht).
[0007] Als spanbrechende Zusätze kommen dabei vorzugsweise Blei, Kohlenstoff, insbes. in Form von Grafit- oder Rußpartikeln, und intermetallische Phasen in Betracht. Die Bildung der intermetallischen Phasen wird dabei durch die Zugabe mindestens eines Elements aus der Gruppe Phosphor, Silizium, Titan, Vanadium, Schwefel bewirkt.
[0008] Aus der JP-OS 62-202.238 ist zwar eine Cu-Ni-Mn-Legierung mit 5 bis 35 % Nickel; 5 bis 35 % Mangan bekannt, die zusätzlich 0,01 bis 20 % eines oder mehrerer Elemente enthält, die aus zwei Gruppen zahlreicher Elemente, darunter auch Blei, ausgewählt werden können. Demgegenüber liegt mit der beanspruchten Legierungszusammensetzung eine Auswahl vor; denn die beanspruchten Bereiche sind eng gegenüber der Fülle von Variationsmöglichkeiten nach dem Stand der Technik. Die beanspruchten Bereiche sind zudem weit entfernt von den Beispielen nach der Tabelle der JP-OS. Außerdem liegt eine gezielte Auswahl vor, da durch den spanbrechenden Zusatz zur Cu-Ni-Mn-Legierung überraschenderweise eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Zähigkeit der Legierung erzielt wird, wie weiter unten insbes. anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird.
[0010] Eine besonders homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente liegt dann vor, wenn die erfindungsgemäße Legierung nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt ist.
Der Urformprozeß für den Kupferwerkstoff erfolgt durch Sprühkompaktieren (vgl. den sog. "OSPREY"-Prozeß beispielsweise nach den GB-PSen 1.379.261/1.599.392 oder EPS 0.225.732). Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch typische Warmformverfahren (Pressen, Walzen, Schmieden) zu Halbzeugfabrikaten (Stangen, Rohren, Profilen, Buchsen) verarbeitet werden.
[0011] Die erfindungsgemäße Legierung läßt sich vorzugsweise als Werkstoff zur Herstellung von lösbaren elektrischen Verbindungen, insbes. Steckverbindungen od. dgl. verwenden, da sie das geforderte Eigenschaftsprofil weitgehend erfüllt; denn Steckverbinder aus Kupferwerkstoffen müssen folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Hohe mechanische Festigkeit:
Steckverbinderwerkstoffe müssen allgemein eine hohe Festigkeit (hohe Streckgrenze
und hohe Härte) aufweisen, da Steck- und Ziehoperationen zu keinen unzulässigen Verformungen
des Steckers führen dürfen.
2. Gute Biegbarkeit:
Die Fertigung komplexer Komponenten erfolgt heute größtenteils an vollautomatischen
Mehrspindelautomaten oder Hydromaten. Die Teile werden derart gefertigt, daß, im Gegensatz
zu Bändern, keine Biegeoperationen notwendig sind. Es bestehen daher keine Anforderungen
an die Biegbarkeit des Werkstoffs.
3. Gute Federeigenschaften:
Steckverbinder müssen im Einsatz eine einwandfreie Signalübertragung gewährleisten.
Ein guter Kontakt, selbst nach wiederholten Steck- und Ziehoperationen, muß erhalten
bleiben. Damit die federnde Wirkung auch nach wiederholten Steck- oder Ziehoperationen
erhalten bleibt, muß der Werkstoff eine möglichst hohe Federbiegegrenze besitzen.
4. Spannungsrelaxation:
Steckverbinder werden in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt. Der Temperaturanstieg
resultiert aus Umgebungswärmen (z. B. durch die Nähe zu Verbindungsmaschinen) und/oder
die Eigenerwärmung bei Stromdurchgang aufgrund des inneren Widerstands.
Hinsichtlich der Bedeutung der Spannungsrelaxation wird auf unsere DE-PS 196 00 864
verwiesen.
5. Korrosionsfestigkeit:
Steckverbinder werden neben unterschiedlichen Temperaturbereichen auch den verschiedensten
Atmosphären ausgesetzt. Die Korrosionsfestigkeit muß allgemein gegeben sein (z. B.
Zusatz von Nickel).
6. Galvanisierbarkeit:
Steckverbinder werden üblicherweise mit Gold, Silber, Nickel u. a. Werkstoffen beschichtet.
Die aufgebrachte Schicht muß eine gute Haftung zum Untergrundmaterial aufweisen.
7. Permeabilität:
Komponenten in der Hochfrequenztechnik dürfen keine magnetischen Eigenschaften aufweisen,
da es sonst zu Signalverzerrungen (z. B. Intermodulationsverzerrungen) kommen kann.
Viele Steckverbinder werden aus Messing gefertigt, das über eine Zwischenschicht aus
Nickel (leicht ferromagnetisch) vergoldet ist. Die Beschichtung wird elektrolytisch
aufgetragen.
Die dabei entstehenden Nickelkristalle sind erfahrungsgemäß so klein, daß eine elektromagnetische
Polarisierung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.
[0012] Die im Sprühkompaktierverfahren gefertigte Kupfer-Nickel-Mangan-Blei-Variante ist im Gußzustand sehr feinkörnig. Das Verfahren garantiert darüber hinaus eine homogene Nickelverteilung. Bei konventioneller Herstellung kommt es zur Ausbildung von Zonen, die mit Nickel angereichert sind. Diese Kornseigerungen lösen sich erfahrungsgemäß während der Weiterfertigung nicht ganz auf, so daß die HF-Tauglichkeit nicht oder nur eingeschränkt gegeben ist.
Diese bleihaltige Variante weist eine feine Bleiverteilung auf und läßt sich gut spanend bearbeiten.
[0013] Die gute Eigenschaftskombination der erfindungsgemäßen Cu-Ni-Mn-Legierung bedingt zudem auch eine vorteilhafte Verwendung als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen und Komponenten für den Offshore-Bereich und den Bergbau, insbes. für Bohranlagen.
[0014] In der Offshore-Technik werden für hohe Beanspruchungen mechanische Komponenten (wie etwa Bohrgestänge, Verschraubungen, Bolzen, etc.) verlangt, die hohe Belastbarkeit aufweisen und sehr gute Korrosionseigenschaften haben müssen sowie weder ferromagnetisch sein dürfen noch beim Aufeinanderprallen durch pyrophore Reaktionen wegspritzender Splitter Explosionen oder Feuer auslösen dürfen. Für solche Anforderungen werden nach dem Stand der Technik Komponenten und Werkzeuge aus Cu-Be-Legierungen eingesetzt, die diese Eigenschaften in besonderer Weise auf sich vereinen. Es hat sich nun überraschend herausgestellt, daß mit Cu-Ni-Mn-Legierungen der vorgeschlagenen Be-freien Zusammensetzung nicht nur alle Anforderungen erfüllt werden können, sondern auch beträchtliche Vorteile in der Verfügbarkeit gegenüber den gebräuchlichen Cu-Be-Legierungen erzielt werden und bei Kombination mit der Herstellung durch Sprühkompaktieren auch eine selektiv bessere technologische Eignung gefunden wird, insbes. werden die Anforderungen an Bohrstrangkomponenten gemäß API (American Petroleum Institute)-Specification 7 ("Specification for Rotary Drill Stem Elements") 38. Ed., April 1, 1994, erfüllt.
[0015] Für Kupferwerkstoffe in diesem Einsatzgebiet werden folgende spezifische Eigenschaften gefordert:
1. Magnetische Eigenschaften:
Um meßtechnische Anforderungen des Bohrstrangs im Bereich von Kompaßmeßsystemen zu
erfüllen (Messung des Erdmagnetfelds und der daraus ableitbaren Richtungsinformation)
müssen Bohrstrangkomponenten in diesem Bereich unmagnetisch sein, da in Anwesenheit
von magnetischen Werkstoffen Fehlmessungen durch Beeinflussung des Magnetfeldes erfolgen.
Die magnetische Suszeptibilität χ sollte dementsprechend 20.10-6 nicht überschreiten.
[0016] (Dabei gibt χ nach der GI.
= µo. χ .
das Verhältnis der Magnetisierung
[
] zur magnetischen Feldstärke
[
] an, mit µo = 4 π . 10-7 = 1,256 . 10-6 [
] als magnetischer Feldkonstante.)
2. Streckgrenze/Härte:
[0017] Der Bohrstrang unterliegt hohen mechanischen und physikalisch/chemischen Beanspruchungen. Die einzelnen Strangelemente werden durch Gewindeverbindungen miteinander verbunden. Wegen der hohen Kräfte, die im Bohrloch auftreten, werden die einzelnen Strangelemente unter Aufbringung hoher Drehmomente miteinander verschraubt. Um plastische Verformungen der Gewinde zu vermeiden, muß der Werkstoff eine hohe Streckgrenze haben.
[0018] Die Bohrstrangoberflächen werden durch Abrasion und Erosion beansprucht. Der Verschleiß wird durch eine möglichst hohe Materialhärte auf ein Minimum reduziert.
3. Zähigkeit:
[0019] Die genauen Belastungskollektive sind in der Regel unbekannt. Untersuchungen an aufgetretenen Schäden haben jedoch gezeigt, daß sehr hohe schwingende aber auch schlagartige Belastungen auftreten können. Die Zähigkeit der eingesetzten Werkstoffe spielt daher für das sichere Funktionieren eine entscheidende Rolle. Die Zähigkeit der eingesetzten Kupferlegierung sollte deshalb für ein Festigkeitsniveau maximiert und möglichst gleichmäßig über den Querschnitt sein.
4. Korrosionsbeständigkeit:
[0020] Auf der Sohle des Bohrlochs werden die Felsformationen mechanisch zertrümmert und mit einer sogenannten Bohrspülung an die Oberfläche gepumpt. Erhöhte Temperatur und der chemische bzw. physikalischchemische Angriff durch die Spülflüssigkeit erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe. Insbesondere muß der Werkstoff in schwefelhaltigen Medien resistent gegen Spannungsrißkorrosion sein.
5. Freßverhalten:
[0021] Die Verschraubung der einzelnen Bohrstrangelemente unter hohem Drehmoment darf zu keiner Kaltverschweißung ("Fressen") führen. Daher sollten möglichst artfremde Materialien (z. B. Stahl mit NE-Metall) miteinander verbunden werden.
[0022] Bei Gewindeverbindungen von Bohrstrangkomponenten aus austenitischen, nichtmagnetisierbaren Stählen werden deshalb oftmals Zwischenstücke aus einer hochfesten Kupferlegierung dazwischengeschraubt. Als geeigneter Kupferwerkstoff wurde bisher beispielsweise Kupfer-Beryllium (UNS C 17200) eingesetzt.
[0023] Als Beispiel gelten hierfür die Kupfer-Beryllium-Zwischenstücke, die bei austenitischen, nichtmagnetisierbaren Schwerstangen (sog. "drill collars") verwendet werden.
Ausführungsbeispiel:
[0024] In der folgenden Tabelle sind insbes. die mechanischen Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung CuNi20Mn20Pb0,05 (sprühkompaktiert) und einer CuBe2-Legierung gegenübergestellt. Als Proben wurden Stangen, hergestellt durch Sprühkompaktieren, Strangpressen und Ziehen bis 50 % Kaltverformung, angelassen verwendet. Die Vergleichsdaten zur CuBe2-Legierung entstammen der Literatur.
| Legierung | Streckgrenze Rp 0,2 [MPa] | Zugfestigkeit Rm [MPa] | Dehnung A5 [%] | Vickershärte HV | elektr. Leitfähigkeit % IACS |
| CuNi20Mn20Pb0,05 | 1000 - 1300 | 1100 - 1400 | 1 - 6 | bis 370 | bis 2,5 |
| CuBe2 | bis 1400 | bis 1500 | 1 - 6 | bis 430 | bis 25 |
daß sie aus 15 bis 25 % Nickel; 15 bis 25 % Mangan; 0,001 bis 1,0 % eines spanbrechenden Zusatzes, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht.
daß sie als spanbrechenden Zusatz Blei enthält.
daß sie als spanbrechenden Zusatz Kohlenstoff enthält.
daß sie den Kohlenstoff in Form von Grafitpartikeln mit einer mittleren Korngrößenverteilung von 0,5 bis 1000 um enthält.
daß sie den Kohlenstoff in Form von Rußpartikeln mit einer mittleren Korngrößenverteilung von 0,01 bis 1500 µm enthält.
daß sie als spanbrechenden Zusatz intermetallische Phasen enthält.
daß sie 17 bis 23 % Nickel und 17 bis 23 % Mangan enthält.
daß sie 19,5 bis 20,5 % Nickel und 19,5 bis 20,5 % Mangan enthält.
daß sie in sprühkompaktierter Form vorliegt.
daß eine homogene und seigerungsarme Verteilung aller Legierungselemente vorliegt.
daß sie eine mittlere Korngröße DK = 50 bis 70 µm aufweist.
daß sie bei einem Bleizusatz bis max. 1 % eine feine Bleiverteilung aufweist.