KUPFER-NICKEL-GUSS-LEGIERUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Guss-Legierung, die ferner Magnesium und Aluminium enthält.

[0002] Viele Kupferwerkstoffe zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit aus. Durch Hinzulegieren bestimmter Elemente können Legierungen mit einem vorgegebenen Eigenschaftsprofil erzeugt werden. Dabei spielen nicht nur die Eigenschaften im Endzustand eine wichtige Rolle, sondern die Legierungen müssen auch zur Fertigung von Halbzeugen wie Stangen, Rohre oder Bänder durch Warm- und/oder Kaltumformung geeignet sein. Bei Werkstoffen, die im Gusszustand eingesetzt werden, entfällt diese Beschränkung. Dadurch werden Möglichkeiten eröffnet, die Eigenschaften der Legierung auf spezielle Anwendungsfälle zu optimieren. Insbesondere Anwendungen bei hohen Temperaturen rücken in verschiedenen technischen Gebieten zunehmend in den Vordergrund.

[0003] Aus der Druckschrift EP 3 252 179 A1 ist eine hochwarmfeste Kupferlegierung mit der Zusammensetzung 10,6 bis 18,0 % Al, 10,5 bis 14,5 % Ni, Rest Kupfer bekannt. Der Legierung können als optionale Elemente Fe, Co, Ti, Mn, B, Ca und C hinzutreten. Im Gusszustand beträgt die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur mindestens 700 MPa.

[0004] Ferner ist aus der Druckschrift CN 103 469 006 A eine Kupferlegierung bekannt, die im Gusszustand als Ventilkörper eingesetzt wird. Die Legierung umfasst neben Kupfer 15 - 17 Gew.-% Nickel, 2 - 3 Gew.-% Aluminium, 8 - 9 Gew.-% Magnesium sowie geringe Anteile an weiteren Elementen. Um einen Ventilkörper mit ausreichender Qualität herzustellen, muss ein genau spezifiziertes Verfahren eingehalten werden. Über die Eigenschaften der Legierung bei hohen Temperaturen ist der Druckschrift keine Information zu entnehmen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung bereitzustellen, die im Gusszustand eine hohe Warmfestigkeit aufweist. Sie soll ferner bei hohen Temperaturen korrosions- und oxidationsbeständig sein. Insbesondere soll die Legierung bei Temperaturen über 400 °C eine hohe Festigkeit und eine gute Verschleißbeständigkeit aufweisen.

[0006] Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

[0007] Die Erfindung schließt Kupfer-Nickel-Guss-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% ein:

Ni:	24 bis 36 %
Mg:	1,5 bis 6,0 %
Al:	1,5 bis 6,0 %
optional Ti:	0,05 bis 0,5 %
optional B:	0,01 bis 0,15 %
optional Ca:	0,02 bis 0,1 %
optional Fe:	0,05 bis 1,0 %

Rest Kupfer, in Magnesiumoxid gebundener Sauerstoff und unvermeidbare Verunreinigungen.

[0008] Die Legierung ist eine Gusslegierung mit dendritischer Struktur nach dem Kokillenguss. Die Korngröße beträgt ca. 0,6 bis 1 mm im Gusszustand. Die dendritische Phase besteht überwiegend aus einem Kupfer und Nickel enthaltenden Mischkristall. Ein Nickel-Anteil von mindestens 24 Gew.-% ist erforderlich, um eine ausreichende große Mischkristallhärtung auch bei hohen Temperaturen zu erreichen. Nickel-Anteile über 36 Gew.-% würden die Legierung teuer machen ohne einen Nutzen zu bringen, der die Verteuerung kompensiert.

[0009] Charakteristisch für die Legierung ist eine Anreicherung von Magnesiumoxid in den interdendritischen Bereichen. Das Magnesiumoxid hat refraktäre Eigenschaften, die Schmelztemperatur des Magnesiumoxids beträgt 2800 °C. Diese interdendritischen Bereiche mit Magnesiumoxid führen zu einer sehr guten Hochtemperaturfestigkeit. Der Anteil dieser interdendritischen Bereiche beträgt mindestens 6 Vol.-%. Der Anteil des Magnesiums in den interdendritischen Bereichen beträgt je nach Magnesium-Anteil in der Legierung 9 bis 14 Gew.-%.

[0010] Eine weitere festigkeitssteigernde Wirkung in den Dendriten-Armen selbst haben fein dispers verteilte, annähernd kugelförmige, Nickel- und Aluminium-haltige Ausscheidungen, deren mittlerer äquivalenter Durchmesser 20 bis 100 nm beträgt. Äquivalenter Durchmesser bezeichnet hier den Durchmesser einer Kugel, die das gleiche Volumen wie die betrachtete Ausscheidung hat.

[0011] Zur Erreichung dieser Struktur und den daraus resultierenden Hochtemperatureigenschaften sind Mg- und AI-Gehalte von jeweils mindestens 1,5 Gew.-% erforderlich. Gehalte an Mg und Al von über 6,0 Gew.-% würden die Gießbarkeit und die mechanischen Eigenschaften der Legierung verschlechtern. Ein Mg-Anteil von über 6 Gew.-% würde beispielsweise zur Versprödung der Legierung führen. Besonders exzellente Hochtemperatureigenschaften weisen Zusammensetzungen mit 3,0 bis 5,0 Gew.-% Mg und 3,0 bis 5,0 Gew.-% Al auf. Bevorzugt kann das Verhältnis aus Mg-Anteil zu AI-Anteil mindestens 0,8 und höchstens 1,2 betragen. Innerhalb dieses bevorzugten Bereichs ergeben sich besonders günstige Eigenschaften der Legierung.

[0012] Die optionalen Elemente Ti, B, Ca und Fe dienen der Kornfeinung.

[0013] Die Legierung bietet exzellente Eigenschaften insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und Anwendungen, in denen eine gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist. Je nach genauer Zusammensetzung der Legierung können eine exzellente Warmfestigkeit, charakterisiert durch eine 0,2%-Stauchgrenze von 400 MPa bei 600 °C sowie durch eine 0,2%-Stauchgrenze von bis zu 780 MPa bei 400 °C, oder alternativ eine sehr gute Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit bei Raumtemperatur mit Zugfestigkeiten von 700 MPa und Kerbschlagarbeit von bis zu 60 J im Gusszustand bei einer exzellenten Verschleißbeständigkeit erreicht werden. Aufgrund des hohen Nickel-Anteils weist die Legierung eine bessere Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit als Warmarbeitsstähle auf. Dieser Vorteil tritt insbesondere in maritimer Umgebung und bei salzhaltiger Atmosphäre auf.

[0014] Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Ni-Anteil mindestens 29 Gew.-% betragen. Durch einen hohen Ni-Anteil werden sehr gute Korrosions-, Oxidations- und Kavitationsbeständigkeit erreicht. Die Kavitationsbeständigkeit ist bei Verwendung der Legierung als Werkstoff für Rotoren von Pumpen von Vorteil.

[0015] Im Rahmen einer besonderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform können der Ni-Anteil mindestens 34 Gew.-%, der Mg-Anteil mindestens 4,5 Gew.-% und höchstens 5,5 Gew.-% und der Al-Anteil mindestens 4,5 Gew.-% und höchstens 5,5 Gew.-% betragen. Mit einer solchen Zusammensetzung wird eine Legierung mit einer exzellenten Hochtemperaturfestigkeit erreicht. Diese ist charakterisiert durch eine 0,2%-Stauchgrenze von 400 MPa bei 600 °C sowie einer 0,2%-Stauchgrenze von bis zu 780 MPa bei 400 °C.

[0016] Im Rahmen einer weiteren besonderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform können der Ni-Anteil höchstens 31 Gew.-%, der Mg-Anteil höchstens 3,5 Gew.-% und der Al-Anteil höchstens 3,5 Gew.-% betragen. Bei einer Zusammensetzung der Legierung innerhalb dieser Spezifikation können Gusswerkstoffe gebildet werden, die sich durch eine sehr vorteilhafte Kombination aus Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit auszeichnen. Insbesondere erreichen erfindungsgemäße Legierungen mit einem Mg-Anteil von 2,5 bis 3,5 Gew.-% und einem Al-Anteil von 2,5 bis 3,5 Gew.-% bei Raumtemperatur eine Kerbschlagarbeit von 15 J und eine Bruchdehnung von nahezu 4 % sowie eine gute Festigkeit bei Temperaturen über 400 °C. Bei einer hierzu alternativen besonderen Ausgestaltung von erfindungsgemäßen Legierungen mit einem Mg-Anteil von mindestens 1,5 Gew.-% und weniger als 2,5 Gew.-% und einem Al-Anteil von mindestens 1,5 Gew.-% und weniger als 2,5 Gew.-% werden eine Kerbschlagarbeit von bis zu 60 J und eine Zugfestigkeit von 700 MPa erreicht.

[0017] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.

[0018] In Tabelle 1 sind erfindungsgemäße Proben Nr. 1 bis Nr. 4 und Vergleichsproben Nr. 5 bis Nr. 7 sowie deren mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur zusammengestellt.

Tabelle 1: Zusammensetzung der Proben und deren Eigenschaften im Gusszustand bei Raumtemperatur. Mit * gekennzeichnete Proben sind Vergleichsproben.

Probe	Zusammensetzung in Gew-%	Rm in MPa	Rp0.2 in MPa	A in %	Härte HV 0.1	W in J
Nr. 1	CuNi30Mg2Al2	700	510	8	264	55
Nr. 2	CuNi30Mg3Al3	500	440	3,8	343	15
Nr. 3	CuNi35Mg5Al5	350	320	0,8	351	2,5
Nr. 4	CuNi30Mg5Al5	-	-	-	337	-
Nr. 5*	CuNi25Mg10	260	-	0,1	422	2
Nr. 6*	CuNi30Mg8	200	-	0	419	0,7
Nr. 7*	CuNi30Mn1	490	300	12	190	100

Rm: Zugfestigkeit (in MPa) Rp0.2: 0,2%-Stauchgrenze (in MPa) A: Bruchdehnung (in %) HV 0.1: Vickers-Härte W: Kerbschlagarbeit (in J)

[0019] Die Proben Nr. 1 (CuNi30Mg2Al2) und Nr. 2 (CuNi30Mg3Al3) zeichnen sich durch eine sehr vorteilhafte Kombination aus Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit (ausgedrückt durch die Kerbschlagarbeit) und Härte aus. Diese beiden Proben zeigen bei Raumtemperatur die höchsten Werte bei der Zugfestigkeit und bei der 0,2%-Stauchgrenze. Auch die Duktilität, die durch die Bruchdehnung quantifiziert ist, liegt auf relativ hohem Niveau. Lediglich Vergleichsprobe Nr. 7 hat eine höhere Bruchdehnung, jedoch bei geringerer Härte. Mit Ausnahme der Härte weist Probe Nr. 1 bei Raumtemperatur bessere Eigenschaften auf als Probe Nr. 2. Untersuchungen bei erhöhter Temperatur ergeben, dass oberhalb von 400 °C Probe Nr. 2 eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere 0,2%-Stauchgrenze als Probe Nr. 1 aufweist. Die höheren Anteile an Mg und Al begünstigen also die Warmfestigkeit. Je nach Anforderung kann also die Zusammensetzung der Legierung variiert werden, um Eigenschaften zu erzielen, die für die jeweilige Anwendung optimal sind.

[0020] Probe Nr. 3 (CuNi35Mg5Al5) ist bei Raumtemperatur den Proben Nr. 1 und 2 meist unterlegen. Lediglich bei der Härte liegt diese Probe auf dem Niveau von Probe 2. Untersuchungen bei erhöhter Temperatur zeigen, dass die höheren Anteile an Mg und Al bei Temperaturen über 300 °C zu besseren Eigenschaften führen. Hierauf wird im Zusammenhang mit Tabelle 2 näher eingegangen.

[0021] Probe Nr. 4 (CuNi30Mg5Al5) weist gegenüber Probe 3 einen reduzierten Nickel-Anteil auf. Dies führt zu einem geringen Rückgang der Härte. Es wird angenommen, dass die übrigen mechanischen Eigenschaften sich in ähnlicher Weise verändern.

[0022] Die Proben Nr. 5 (CuNi25Mg10) und Nr. 6 (CuNi30Mg8) unterscheiden sich von den Proben Nr. 1 bis Nr. 4 im Wesentlichen durch einen höheren Anteil an Mg sowie durch das Fehlen von Al. Zwar erreichen die Proben Nr. 5 und Nr. 6 eine sehr hohe Härte, ihre Festigkeit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit liegen jedoch auf niedrigem Niveau. Diese beiden Proben sind sehr spröde und lassen sich nicht mechanisch verarbeiten.

[0023] Probe Nr. 7 (CuNi30Mn1) ist eine seit langem bekannte Kupfer-Nickel-Legierung, die sich insbesondere durch eine hohe Duktilität bei Raumtemperatur und eine gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Sie erreicht jedoch nicht die Härte der Proben Nr. 1 bis 4 und ist deshalb hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit unterlegen.

[0024] Tabelle 2 dokumentiert die Temperaturabhängigkeit der 0,2 %-Stauchgrenze für ausgewählte Proben.

Tabelle 2: Temperaturabhängigkeit der Stauchgrenze für ausgewählte Proben

Probe	Bezeichnung	0,2 %-Stauchgrenze in MPa bei Temperatur
		300 °C	400 °C	500 °C	600 °C	700 °C
Nr. 2	CuNi30Mg3Al3	660	600	450	260
Nr. 3	CuNi35Mg5Al5	730	780	600	400	200
Nr. 7*	CuNi30Mn1	500	430	360	200
Nr. 8*	CuAl14Ni12	650	500	270	160	100
Nr. 9*	X37CrMoV5-1		800	620	310

[0025] In Tabelle 2 ist die Temperaturabhängigkeit der Stauchgrenze für die Proben Nr. 2, 3 und 7 aus Tabelle 1 dokumentiert. Ferner wurden zwei weitere Vergleichsproben Nr. 8 (CuAl14Ni12) und Nr. 9 (Warmarbeitsstahl X37CrMoV5-1) hinzugenommen. Die Messdaten dokumentieren die exzellente Warmfestigkeit von Probe Nr. 3: Bei Temperaturen bis 500 °C liegt bei dieser Legierung die Stauchgrenze auf einen Niveau nur knapp unterhalb des Warmarbeitsstahls X37CrMoV5-1 (Probe Nr. 9). Bei Temperaturen oberhalb von 500 °C ist sogar ein Vorteil zugunsten von Probe Nr. 3 zu erkennen. Ferner liegen bei Temperaturen oberhalb von 300 °C die Messdaten von Probe Nr. 3 über denen von Probe Nr. 2. Der relative Vorteil von Probe Nr. 3 gegenüber Probe Nr. 2 wird mit zunehmender Temperatur größer.

[0026] Probe Nr. 2 weist bei 300 °C ungefähr die gleiche Stauchgrenze auf wie Probe Nr. 8 auf. Bei Temperaturen über 300 °C ergeben sich jedoch deutliche Vorteile für Probe Nr. 2. Die Probe Nr. 7 erreicht bei keiner Temperatur das Niveau der erfindungsgemäßen Proben Nr. 2 und Nr. 3.

[0027] Die Messdaten dokumentieren die Vorteile der erfindungsgemäßen Legierung, sowohl bei Raumtemperatur als auch insbesondere bei Temperaturen über 300 °C. Mit einer Legierungszusammensetzung gemäß Probe Nr. 3 kann eine Stauchgrenze auf dem Niveau eines Warmarbeitsstahls erreicht werden. Gegenüber dem Warmarbeitsstahl weist die erfindungsgemäße Legierung eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf.

[0028] Die vorstehend beschriebene Legierung kann insbesondere für Gleitelemente, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, für Turbinenwerkstoffe und im Apparatebau, beispielsweise in Anlagen für die Meerwasserentsalzung, verwendet werden.

Ansprüche

1. Kupfer-Nickel-Guss-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:

Ni:	24 bis 36 %
Mg:	1,5 bis 6,0 %
Al:	1,5 bis 6,0 %
optional Ti:	0,05 bis 0,5 %
optional B:	0,01 bis 0,15 %
optional Ca:	0,02 bis 0,1 %
optional Fe:	0,05 bis 1,0 %

Rest Kupfer, in Magnesiumoxid gebundener Sauerstoff und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. Kupfer-Nickel-Guss-Legierung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Anteil mindestens 29 Gew.-% beträgt.

3. Kupfer-Nickel-Guss-Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Anteil mindestens 34 Gew.-%, der Mg-Anteil mindestens 4,5 Gew.-% und höchstens 5,5 Gew.-% und der Al-Anteil mindestens 4,5 Gew.-% und höchstens 5,5 Gew.-% beträgt.

4. Kupfer-Nickel-Guss-Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Anteil höchstens 31 Gew.-%, der Mg-Anteil höchstens 3,5 Gew.-% und der Al-Anteil höchstens 3,5 Gew.-% beträgt.