Sonderlegierungen auf Kupfer als moderne technische Werkstoffe. Von W. Schulze, Berlin. Sonderlegierungen auf Kupfer. Die Mehrstofflegierungen auf Kupferbasis gehören zu den Baustoffen, die auf allen Gebieten der modernen Technik verwendet werden und überall da besondere Vorteile bieten, wo sich hohe mechanische Beanspruchung mit den Angriffen von Luft, Feuchtigkeit und anderen Lösungsmitteln vereinigen, also stahlähnliche Eigenschaften und gute Korrosionsbeständigkeit vom Werkstoff gefordert werden, Je nach dem Kupferanteil unterscheidet man Sonderbronzen aus Cu und bis zu 20 % anderer metallischer Bestandteile und Sondermessinge aus Cu, Zn und bis zu 10 % an verbessernden Metallen. Als besonders wertvolle Zusatzelemente sind in neuerer Zeit Nickel und Aluminium erkannt worden, was zur Folge hatte, daß der größte Teil aller hochwertigen Kupferlegierungen diese Metalle einzeln oder gemeinsam enthalten. Nickelhaltige Bronzen und Messinge. Nickel ist das einzigste Metall, das mit Kupfer eine natürliche Legierung bildet, die als Monel-Metall bekannt ist. Monel-Metall wird in Nordamerika als Nebenprodukt bei der Verhüttung der Kupfererze in einer Zusammensetzung von 67 % Ni, 28 % Cu, 5 % Fe und Mn mitgewonnen. Seine vielseitigen guten Eigenschaften gestatten die Verarbeitung zu Sandgußteilen sowie zu gereckten Halbzeugen wie Rohren, Stangen und Bändern. Im gegossenen Zustand besitzt Monel-Metall 35 kg/mm2 Festigkeit und 10 bis 20 % Dehnung, kalt gereckt – etwa 70 kg/mm2 Zugfestigkeit und 3 bis 5 % Bruchdehnung. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß diese Werte auch bei höheren Temperaturen verhältnismäßig wenig absinken; so beträgt die Zugfestigkeit von Sandguß bei 400° noch 30 kg/mm2, wogegen Rotguß bis auf 8 kg/mm2 nachläßt. Gerecktes Monel-Metall besitzt bei 400° noch annähernd 60 kg/mm2 Zugfestigkeit gegen SM Stahl mit 50 kg/mm2 und Ms 60 mit 30 kg/mm2. Infolge des konkurrenzlos hohen Preises von Monel-Metall ist man dazu übergegangen, dasselbe durch Zusammenschmelzen der einzelnen Bestandteile auf synthetischem Wege zu erzeugen. Da mit derartigem Material jedoch die Eigenschaften des Originalwerkstoffes nicht erreicht werden, hat man sich in der Metalltechnik vielfach auf die Entwicklung von Ni-Cu-Legierungen beschränkt, deren mechanische und chemische Eigenschaften für viele Zwecke ausreichen, deren Preis sich gegenüber Monel-Metall aber erheblich niedriger stellt. Zusätze von Ni steigern schon als geringe Anteile die Zugfestigkeit, die Härte und den Elastizitätsmodul des Kupfers jedoch unter Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit. Die letztere sinkt bereits bei 1 % Ni von 56 auf 32m/mm2 Ohm, bei 3 % Ni auf 13 und bei 10 % Ni auf 8m/mm2 Ohm ab. Diese Wirkung des Nickels liegt darin begründet, daß Cu und Ni miteinander in allen Verhältnissen Mischkristalle bilden, wodurch die Leitfähigkeit stärker beeinträchtigt wird als bei Legierungen, die aus heterogenen Kristallgemengen bestehen. Als Konstruktionsmaterial haben besonders die Legierungen aus 15 bis 25 % Ni Rest Cu Bedeutung erhalten, die im Turbinen- und Schiffsmaschinenbau für Schaufeln und Kondensatorrohre verwendet werden; für den letzteren Zweck haben sich Ni-Cu-Kondensatorrohre erheblich korrosionsfester gezeigt als das bekannte Marinemessing aus 1 % Zinn, 29 % Zink und 70 % Kupfer. Auch die schlechte Leitfähigkeit der Ni-Cu-Legierungen hat man für technische Zwecke ausgenutzt und die bekannten Widerstandsmaterialien Konstantan (aus 40 % Nickel und 60 % Kupfer) und Nickelin (aus 32 % Nickel und 68 % Kupfer) entwickelt. Aus den ersteren werden Thermoelemente für Meßbereiche bis zu 750°, aus dem letzteren Drähte für Vorschaltwiderstände hergestellt. Besondere Erfahrungen sind für die gießtechnische Verarbeitung der Ni-Cu-Legierungen nötig. Das Erschmelzen des Materials wird zweckmäßig im Hochfrequenzofen durchgeführt, kann aber auch im Tief- oder Oelofen erfolgen. Die Schmelztemperatur darf I 550° nicht überschreiten, der gare Guß muß zur Erlangung dichter Teile mit etwa 80 g Magnesium und 70 g Mangan für 100 kg Einsatzgewicht zur Entfernung von Schwefel und Sauerstoff desoxydiert werden. Bestimmte Kenntnisse sind auch für die schweißtechnische Verarbeitung der Ni-Cu-Legierungen Voraussetzung. Bei der Ausführung von Autogenschweißungen empfiehlt sich die Verwendung eines Flußmittels aus 50 % Borax und 50 % Borsäure mit Wasser angerührt; die Brennerstärke ist etwas größer zu wählen als bei Stahlschweißungen. Während des Schweißvorganges ist die Verbindungsstelle ständig in die Flamme einzuhüllen, um den Zutritt von Sauerstoff zu verhindern, der Oxydation und damit Blasenbildungbewirkt. Aus diesem Grunde ist auch das Arbeiten mit einer reduzierenden Flamme zu empfehlen. Während es sich bei den bisher beschriebenen Werkstoffen um reine Ni-Cu-Legierungen handelt, hat man auch Ni-haltige Bronzen entwickelt, die Zusätze von Zinn und Zink enthalten. Die besondere Wirkung des Ni zeigt sich bei diesen Legierungen ebenfalls in der Verbesserung der Gießbarkeit und der Dichte sowie in der Korrosionsbeständigkeit, der Wärmebeständigkeit und den mechanischen Eigenschaften. Eine Legierung, die sich für Hochdruckarmaturteile mit Beanspruchungen bis zu 10 atm: Heißdampf bewährt hat, besteht aus 3,5 % Ni, 4 % Zn, 10 % Sn, Rst Cu; für Teile, die auf Verschleiß beansprucht werden, z.B. Zahnräder mit hohen Zahndrücken ist eine Legierung aus 1 % Ni, 11 % Zn und 88 % Cu als Werkstoff erfolgreich verwendet worden. Zusätze bis zu 10 % Nickel wirken sich auch auf die verschiedenen Eigenschaften der Zn-Cu-Legierungen günstig aus. Ni ist das bisher einzige nachgewiesene Metall, das den scheinbaren Cu-Gehalt der Zn-Cu-Legierungen steigert, indem ein Teil Ni = 1,4 Teile Cu gefügemäßig ersetzt; ein α + β Messing aus 58 % Cu Rest Zn wird also durch Zusatz von 5 % Ni zu einer reinen α-Legierung umgewandelt. Entsprechend diesem Einfluß hat man den Kupferanteil fast aller nickelhaltiger Sondermessinge unter 60 % und teilweise bis auf 49 % Cu herabgesetzt. Als reine Zn-Cu-Legierungen kommen für Ni Zusätze nur solche bis zu 55 % Cu in Betracht, da höhere Cu-Anteile keine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bewirken. Der Nickelanteil beträgt für Stangenmessinge meist bis zu 5 %, für Preßmessingteile, die für Installationszwecke verwendet werden, steigert man den Ni-Gehalt bis auf 10 %; diese Werkstoffe besitzen infolge der hohen Färbekraft des Nickels bereits eine gelblich weiße Farbe. 10% ige Nickelmessinge werden auch für Freileitungsarmaturen sowie zu Turbinenschaufeln für Naßdampfstufe verarbeitet. In Spuren von 0,1 % erhöht Nickel die Dehnung und die Tiefziehfähigkeit von Ms, aus diesem Grunde hat man den Tombaklegierungen mit 63 % Kupfer und mehr, die für Drückzwecke bestimmt sind, etwa 0,1 % Ni zugesetzt. Eine besondere Art der Nickelmessinge ist das Neusilber; es besteht normalerweise aus 45–60 Teilen Kupfer, 20–40 Teilen Zink und 15–30 Teilen Nickel. Je nach der Verwendung ändern sich die Anteile der einzelnen Metalle. Zur Fabrikation von Gußstücken sind Legierungen mit höherem, Zinkgehalt zu verwenden, für die Erzeugung von Blechen, die durch Drücken und Prägen verarbeitet werden sollen, empfiehlt sich eine Erhöhung des Cu- und des Ni-Gehaltes. Bei der Herstellung der Neusilberlegierungen setzten besonders die gießtechnischen Fragen große Erfahrung voraus. Als Flußmittel sind Mangan-Kupfer (30 % ig) in Mengen von 60–90 g auf 75 kg Schmelzgut, ferner Borax, ein Gemenge aus Kalk und Flußspat und andere mit Erfolg verwendet worden. Die mechanischen Eigenschaften ändern sich mit der Verschiebung der einzelnen Bestandteile. Legierungen aus 15 % Ni, 25 % Zn, 60 % Cu haben im hartgewalzten Zustande etwa 60 kg/mm2 Zugfestigkeit und 5 % Dehnung, als Gußmaterial ca. 25 kg/mm2 Zugfestigkeit und 5 % Dehnung. Ausschlaggebend ist für viele Zwecke außerdem der Farbton, der ebenfalls von der Zusammensetzung grundlegend beeinflußt wird; er läßt sich je nach Bedarf von Hell-Messingfarben über Gelblich-Nickelfarben und Silbergrau bis auf Hell-Kupferrot und Silberweiß verändern. Eine Legierung, die in bezug auf Verarbeitbarkeit, Farbe und Glanz vorzügliche Eigenschaften besitzt, besteht aus 20 % Zn, 34 % Ni und 46 % Cu. Aluminium haltige Bronzen und Messinge. Zur Entwicklung von Konstruktionsbronzen, die in mechanischer Beziehung höchsten Anforderungen genügen, wird dem Kupfer Aluminium in Anteilen bis zu 10 % zugesetzt. Den Gefügeaufbau der Aluminiumbronzen hat man in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zusammensetzung untersucht und die Resultate in einem Zustandsdiagramm zusammengestellt. Nach diesem bestehen die Legierungen bis zu 9 % Al aus α Kristallen, die sich direkt aus der flüssigen Schmelze ausscheiden und im festen Zustande keine weitere Umwandlung durchmachen. Legierungen mit höherem Al-Gehalt zeigen im Schliffbilde nach der Aetzung neben α Kristallen Ausscheidungen einer zweiten sehr spröden γ Kristallart. Innerhalb des α Gebietes und darüber hinaus bis etwa 11 % Aluminium sind die Legierungen vorzüglich kalt und warm knetbar; mit steigendem Aluminiumgehalt und damit zunehmendem γ Anteil wird das Material immer spröder und für Knetbearbeitungszwecke unbrauchbar. Al-Bz lassen sich nach allen bekannten metalltechnischen Formungsverfahren wie Schmieden, Walzen, Pressen, Ziehen und Gießen zu Blechen, Stangen, Drähten, Preßteilen, Sand- und Kokillengußstücken verarbeiten. Besondere Erfahrungen setzt das Schmelzen und Gießen voraus, das gilt zunächst für die Vorprodukte von gereckten Halbzeugen, also Barren und Platten, Beim Schmelzvorgang bildet das dem Kupfer zugesetzte Al mit dem Sauerstoff des ersteren und demjenigen der Luft an der Schmelzbadoberfläche Aluminiumoxyd. Dieses setzt sich an der Außenhaut der gegossenen Barren und Platten ab, und muß von dort durch Abdrehen oder Abfräsen von Schichten bis zu 15 mm Dicke entfernt werden. Beim Warmwalzen und Schmieden kommt es sehr auf die richtigen Wärmegrade an (730°–780°) da Al-Bz sowohl bei zu hoher (850°–900°) als auch bei zu tiefer Temperatur (550°–650°) zum Einreißen neigt. Das Warm- und Kaltkneten kann in verhältnismäßig großen Stufen erfolgen, da das Material, wie bereits gesagt, starke Verformungen ohne weiteres verträgt. Als besonders wichtig hat sich bei der Fabrikation stärkerer Stangen das Auslösen der vom Kaltrecken herrührenden inneren Spannungen vor dem Glühen gezeigt. Geschieht das nicht, so lösen sich diese Reckspannungen während desGlühens gewaltsam aus und bringen das Material zum Reißen. Dadurch entstehen Längs- und Querrisse, von denen die ersteren bis zu einem halben Meter lang sein können. Das Entspannen, erfolgt bei runden Stangen am zweckmäßigsten, indem man diese durch die Abrollbank laufen läßt. Bei Profilstangen, die nicht in der Art behandelt werden können, muß das Material sorgfältig abgeklopft werden. Die mit Al-Bz erreichbaren Eigenschaften sind folgende: Im weichen Zustande besitzt das Material als 5 % ige Al-Bz eine Zugfestigkeit von 35 kg/mm2 bei etwa gleicher Dehnung. Harte Drähte erreichen bis zu 100 kg/mm2 Zugfestigkeit, bei 150 kg/mm2 Brinellhärte und etwa 2 % Dehnung. Die Leitfähigkeit des Kupfers sinkt durch Einfluß des Aluminiums ab, und zwar gehört Al zu den Metallen, die den elektrischen Widerstand des ersteren am stärksten erhöhen, also umgekehrt die Leitfähigkeit sehr erniedrigen, so daß diese schon durch Spuren von 0,05 % bis auf 52 m/mm2 Ohm absinkt. Bei 5 % Aluminium beträgt die Leitfähigkeit nur noch 7–8 m/mm2 Ohm; darüber hinaus erfolgt der Abfall langsamer, durch 10 % sinkt dementsprechend dieselbe nur noch bis etwa 5 m/mm2 Ohm. Umgekehrt steigen die mechanischen Eigenschaften durch Zusätze von über 5 % Al nur wenig an, worauf es zurückzuführen ist, daß man für die meisten technischen Zwecke nur Al-Bz 5 verwendet, und die Verarbeitung von Bronzen mit höheren Aluminiumanteilen auf warm geschmiedete bzw. warm gepreßte Werkstoffe beschränkt, die gewöhnlich neben Aluminium noch andere Zusatzmetalle enthalten. Ein Nachteil, der vielfach für die Verwendung von Al-Bz hinderlich ist, ist die schlechte Hartlötbarkeit des Materials in der Schweißbrennerflamme infolge Oberflächenoxydation. Nur mit großer Geschicklichkeit lassen sich einwandfreie Lötungen ausführen. Schwierigkeiten macht auch das Verzinnen und damit das Weichlöten. Al-Bz besitzt gute Federeigenschaften und wird eshalb viel für Apparate und Kontaktfedern verwendet. Der Elastizitätsmodul von Al-Bz 5, ermittelt mit dem Federblechprüfgerät Bauart Siemens, beträgt 10000 kg/mm2, die Federungsgrenze 40 bis 50 kg/mm2. Beide Werte kommen denen von Phosphorbronze gleich. Festgestellt hat man in letzter Zeit ferner, daß ähnlich wie verschiedene Federstähle auch alle Federbronzen, insbesondere aber Aluminiumbronze, auf Anlaßwirkungen bei Temperaturen zwischen 200° und 300° reagieren, womit durch Verschiebung der inneren Spannungen weitere Erhöhungen der Federeigenschaften zu erzielen sind. Auch Reckmessinge, (gewöhnlich α + β Ms mit 55 bis 60 % Cu, Rest Zn) lassen sich in ihren mechanischen Eigenschaften durch Zusätze von 0,3 bis 4 % Al erheblich verbessern, und zwar steigert sich der Al-Gehalt mit dem Cu-Gehalt der Legierungen, da ein Teil Aluminium etwa 6 Teile Zink gefügemäßig ersetzt. Da die Dehnung von α + β Messingen durch den Aluminiumzusatz herabgesetzt wird, verwendet man das letztere nur unter gleichzeitiger Beigabe von Eisen und Nickel, die wie bei den Bronzen eine Verbesserung der Dehnung bewirken. Aluminiumhaltige Messinge besitzen eine goldgelbe Farbe; die Färbekraft des Aluminiums ist so intensiv, daß auch Sondermessinge mit Mangangehalt, die eine bräunliche Farbe zeigen, durch geringe Aluminiumzusätze goldgelb gefärbt werden. Auch bei den Sondermessingen macht sich der Al-Zusatz durch Steigerung der Zugfestigkeit und der Brinellhärte bemerkbar; ein 58iger Preßmessing läßt sich z.B. durch Zusatz von 2 % Aluminium und gleichzeitig 1 % Nickel und 1 % Silizium auf 70 kg/mm2 Festigkeit bringen, wobei die Dehnung 10 % und die Härte 180 kg/mm2 betragen. Aluminium hat sich auch als Zusatz von Kupfer für Sandgußzwecke bestend bewährt und ist deshalb in allen hochwertigen Legierungen neben Ni und Fe und öfter auch Mn vorzufinden. Legierungen für hohe Verschleißbeanspruchung enthalten an Stelle von Ni und Fe außer Aluminium noch Vanadium und Silizium. Bei der Verarbeitung der einzelnen Metalle auf schmelztechnischem Wege zum Zwecke des Legierens wird das Kupfer gemeinsam mit allen schwerschmelzenden Elementen in den Tiegel eingesetzt und mit diesem erschmolzen. Die Verwendung einer Vorlegierung für Eisen ist unvorteilhaft, da dasselbe nur in geringem Maße in den Mischkristallen des Kupfers aufgenommen wird, wodurch die Gleichmäßigkeit der Vorlegierung in Frage steht. Nickel kann dagegen als Nickel-Kupferlegierung eingesetzt werden, löst sich aber auch im flüssigem Kupfer. Mangan wird vorteilhaft als 30prozentige Mn-Cu-Vorlegierung in das flüssige Kupfer eingesetzt. Am Schluß des Schmelzganges erfolgt die Zugabe von Aluminium in Form einer 50prozentigen Al-Cu-Legierung. Als Desoxydationsmittel für Al-Bz haben sich Zusätze von Titan und Magnesium bewährt. Oxydfeste, die nach der Desoxydation noch in der Schmelze verbleiben, müssen durch entsprechende Ausbildung der Sandformen vom Gußstück ferngehalten werden; es empfiehlt sich, das Material, ehe es in die eigentliche Form eintritt, mittels eines sogenannten Spiel- oder S-Anschnittes zunächst in einen Schaumtrichter zu leiten, der dieOxyde aufnimmt. Al-Bz können normalerweise in nasse Sandformen vergossen werden; für schwere Gußstücke, bei denen die Möglichkeit zur Oxydation des flüssigen Metalls noch in der Sandform gegeben ist, verwendet man zweckmäßig trockene Formen. Das Gußstück ist von mehreren Seiten anzuschneiden und aus 2 Tiegeln zu gießen, damit sich die Form schneller füllt. An den Uebergangsstellen von schwachen zu starken Querschnitten werden starke Steiger angesetzt, aus denen das Material während des Erstarrens flüssiges Metall nachsaugen kann. In Erweiterung des Sandgußverfahrens hat man Al-Bz auch zu Schleuderguß- und Kokillengußstücken verarbeitet. Nach dem ersteren Verfahren stellt man Teile für hohe Verschleißbeanspruchung wie Buchsen, Schieber und Bremsklötze her, die sich auf diesem Wege in höchster Dichte erzeugen lassen. Da das Material sehr leichtflüssig ist, lassen sich auch scharf ausgeprägte, komplizierte Kokillenguß-Kleinteile, z.B. Zahnräder und Getriebe mit hoher Maßgenauigkeit herstellen. Von dieser Fabrikationsart hat man besonders in Amerika Gebrauch gemacht. Wie Nickel und Aluminium die mechanischen Eigenschaften von Sandguß erhöhen, ist in der nachfolgenden Tabelle noch an einigen Legierungen zum Ausdruck gebracht. Legierung Zugfestigkeitkg/mm Dehnung% Hartekg/mm2 G–Bz 10       20    15   60 3 % Al, 15 % Ni Rest Cu       50   5–15 100–120 3 Fe, 10 % Al Rest Cu 50–60 10–20 110–130 G–Ms 63       22    12   50 3 % Al, 3 % Ni,   59 % Cu, Rest Zn 40–50 10–20 100 Gegenüber den normalen Legierungen liegen danach bei unveränderter Dehnung die Festigkeits- und Härtewerte der Ni- bzw. Al-haltigen Sonderlegierungen um 100 % höher; ob diese Effekte durch Zusatz der neuerdings viel verwendeten seltenen Metalle Beryllium und Lithium noch zu übertreffen sind, bedarf der näheren Erforschung. Auf jeden Fall werden aber Al- und Ni auch in Zukunft für die Entwicklung hochwertiger Sonderlegierungen auf Kupferbasis ihren Wert behalten.