Verzeichni"s der wichtigsten Symbole Symbol Bedeutung A Bruchdehnung Sattigungsgrad der Baufehler Cd mittlerer Korndurchmesser dmilll. D Korngrof3e Kom E Elastizitatsmodul E dynamischer Elastizitatsmodul dyn Est statischer Elastizitatsmodul f Kriimmung G Schubmodul h Dicke der inneroxydierten Zone HV Vickersharte ~ o_ _. ... 100 ... Mikrohiirte H" K optische Vergrof3erung Zellausdehnung 'zelle L Abstand von der Blockober- tlache Zellanzahl nZelle N Grenzlastspielzahl Q-I innere Reibung R elektrischer Widerstand R Nennspannung Rm Zugfestigkeit Elastizi tii tsgrenze Rp (z. B. RpO,OO2' RpO.2 usw.) Restspannung RRest RZelle Zellradius R_I Ermiidungsfestigkeit Symbol Bedeutung T Kelvin-Temperatur, z. B. Schmelztemperatur (TL) Wechselwirkungsenergie Zellwachstumsgeschwindigkeit l'Zelle Volumenanteil beim VdiskOnl. diskontinuierlichen Zerfall V Volumenanteil der Zelle Zeile W Streuenergie AL Anderung der Probenliinge AG Anderung der freien Enthalpie Verformung, Kriechverformung Kriechgeschwindigkeit Cma• maximale Verformungs- amplitude cplasl plastische Verformung ~ ~ CResl Verformungsrest '1 Verformungsgrad a Temperatur (C), / 00 ~7 z. B. Gliihtemperatur \. Poissonsche Konstante, Keimbildungsgeschwindigkeit 4 ) Q spezifischer e1ektrischer Widerstand T Gliih-, Alterungs- bzw. Priifdauer TAbktihlung Abkiihldauer, bezogen auf die Abschrecktemperatur PASTUCHOVAjRACHSTADT Federlegierungen aus N E-Metallen Zur Herstellung verschiedenartigster Geriite, automatischer Vorrichtungen, Steuerungs- und Regelelemente werden zunehmend Federwerkstoffe mit definierter Betriebscharakteristik bei hochster Zuverliissigkeit und Lebensdauer benotigt. Diese Aufgabe ist nur durch die gezielte Ausnutzung der Eigenschaften von spezijisch zusammengesetzten und im Interesse der Verfestigung speziell behandelter N E- und Edelmetalle realisierbar. Da die Anforderungen quantitativ und qualitativ wachsen und zugleich materialokonomische Gesichtspunkte zunehmende Bedeutung erlangen, ist es for den Hersteller und Amrender derartiger Materialien von grofier Bedeutung, wesentliche Zusammenhiinge beim Einsatz von Federwerkstoffen zu kennen. Die vorliegende Monographie behandelt sehr umfangreich und ausfohrlich die Federlegierungen auf Kupferhasis. Den Schwerpunkt hi/den dabei Ausfohrungen uber das Legieren und Mikrodotieren von Federlegierungen sowie uber die durch Wiirmebehandlung und Verformung erreichbaren Parameter. Die sich anschliefienden Ahschnitte uber Federlegierungen auf der Basis von Nickel, Kobalt und Edelmetallen sind im Umfang kurz gefafit, aberfur den Fachmann durch wertvolle und internationale Trends berucksichtigende Aussagen dennoch sehr informativ. Der umfangreiche Teil des Buches, der sich mit der Herstellung von Federlegierungen auf der Basis von Berylliumbronze heschiiftigt und die vielfiiltigen Methoden der metallurgischen Herstellung und der thermischen und mechanischen FormierlJng beschreiht, gestattet Analogien zur Herstellung von NE-Werkstoffen, an die im Interesse des Erreichens extremer Eigenschaften ebenfalls hohe Anforderungen gestellt werden, wie beispielsweise Kontakt- und Magnetmaterialien. Zanna P. Pastuchova Alexander G. Rachstadt Federlegierungen aus NE -Metallen Obersetzung aus dem Russischen Mit 275 Bildern und 60 Tabellen VEB Deutscher Verlag fUr Grundstoffindustrie . Leipzig Distributed by Springer-Verlag Wien - New York Lizenzausgabe von der 2. Auflage der Originalausgabe mit Genehmigung des Verlages »Metallurgija«, Moskau Obersetzung aus dem Russischen und Bearbeitung der deutschsprachigen Ausgabe: Dr.-Ing. MANFRED RAsCHKE, Forschungsinstitut fiir NE-Metalle, Freiberg, im VEB Mansfeld Kombinat »Wilhelm Pieck« ISBN-13: 978-3-7091-9529-1 e-ISBN-13: 978-3-7091-9528-4 001: 10.1007/978-3-7091-9528-4 1. Auflage © der deutschsprachigen Ausgabe: Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1985 VEB Deutscher Verlag fUr Grundstoffindustrie, Leipzig Distributed by Springer-Verlag Wien - New York VLN 152-915/57/86 Gesamtherstellung: VEB Druckerei "Thomas Miintzer", 5820 Bad Langensalza Lektor: Hartmut Stephan Gestaltung: Sonja Mauksch RedaktionsschluB: 20.8. 1985 5 Vorwort In den verschiedenartigsten Geraten, automatischen Vorrichtungen und Maschinen gehoren Federn, Membranen, Faltenbalge, Geber u. a. zu den wichtigsten Elementen, die deren Betriebscharakteristika, Zu verlasslgkeit sowie Lebensdauer in entscheidendem MaBe bestimmen. Zur Herstellung elastischer Elemente gelangt eine bedeutende Anzahl von NE-Metallen, einschlieBlich der Edelmetalle, zum Einsatz, nach dem diese unterschiedlichen Verfestigungsbehandlungen unterzogen worden sind (z. B. der Aushartung oder Dispersionshartung, der thermo mechanischen und chemothermischen Behandlung). Unter diesen Werkstoffen nimmt die Gruppe der Kupferlegierungen dank der einzigartigen Vereinigung ihrer hohen Verfestigung, der elastischen Verformung, der hohen elektrischen und Warmeleitnihigkeit, einer hohen Bruchfestigkeit mit bedeutender Korrosionsbestandigkeit einen wichtigen Platz ein. Derartige Legierungen werden in Geraten, elektrischen Maschinen und automatischen Vorrichtungen z. B. als stromfUhrende elastische Elemente hoher Prazision und Zuverlassigkeit eingesetzt. Gegenwartig gelangen die verschiedensten Federlegierungen auf der Basis einer groBen Anzahl von NE-Metallen zum Einsatz. Unter ihnen haben die Nickellegierungen, deren Eigenschaften sich in Abhiingigkeit von der Zusammensetzung in weiten Grenzen andern k6nnen, groBe Bedeutung erlangt. In erster Linie kann hierbei auf die Legierungen des Systems Ni - Be, die sich gegeniiber anderen Legierungen durch ihre hohe mechanische Festigkeit und Warmebestandigkeit bei oftmals erh6hter elektrischer Leitfahigkeit auszeichnen, verwiesen werden. Neben diesen Legierungen sind gleichfalls von groBer technischer Be deutung die hochkorrosionsbestandigen Federlegierungen auf der Basis des Systems Ni-Cr, denen in vielen Fallen Tantal, Niob, Titan und Aluminium zulegiert werden. Neben den Nickellegierungen finden in der Herstellung von elastischen Bauelementen ebenfalls Kobaltlegierungen aus dem System Co-Cr-Ni Verwendung. Der Vorteil dieser Legierungen besteht in ihrer hinreichend hohen Verfestigung (Rm > 2500 bis 3000 MPa) bei sehr guter Korrosions bestandigkeit. Zusatzlich zu den genannten Legierungen verwendet die Industrie fUr die Herstellung elastischer Bauelemente Legierungen auf Edelmetall basis, z. B. Silber, Palladium, Platin und Gold, die infolge guter elek trischer Leitfahigkeit, geringen Kontaktwiderstandes sowie hoher Kor- 6 Vorwort rosionsbestiindigkeit geeignet sind. Einige dieser Legierungen, insbe sondere auf Platinbasis, zeiehnen sieh dureh erhOhte Verfestigung aus. Ungeaehtet dessen, daB Federlegierungen aus NE-Metallen in hin reiehender Anzahl entwiekelt worden sind, stellt die weitere Entwieklung der Technik standig waehsende Anforderungen an die Erhohung des absoluten Verfestigungsgrades dieser Legierungen. Namentlieh in diesem Zusammenhang laufen intensive Forsehungsarbeiten, die auf die Ver besserung der Eigensehaften iiblieher Federlegierungen und die Ent wieklung prinzipiell neuer Federlegierungswerkstoffe geriehtet und dureh hohere mechanische Festigkeit, Warmebestandigkeit und okonomischere Fertigung gekennzeiehnet sind. Hinsiehtlieh der Federlegierungen exi stiert aus wissensehaftlieher und teehnischer Sieht ausreiehendes In formationsmaterial, dessen Bearbeitung zum Hauptgegenstand der vor liegenden Monographie, die ihrerseits eine Weiterentwieklung der be reits 1979 vom Verlag »Metallurgija« herausgegebenen Monographie der Verfasser »Federlegierungen aus Kupfer« darstellt, fUhrte. Die Verfasser danken Herrn Prof. Dr. sc. techno M. L. BERNSTEIN und Herro Prof. Dr. lu. D. TJAPKIN flir wertvolle Hinweise und kritisehe 'Bemerkungen sowie den Kollektiven der Lehrstiihle »Metallkunde« und »Warmebehandlung von Metallen« der MVTU »N. E. BAUMAN« fUr die geleistete Unterstiitzung. Die Autoren 7 I nhaltsverzeichnis 1. Federlegierungen auf Kupferbasis. . . 11 1.1. Allgemeine Charakteristik des Verfestigungsmechanismus in Federlegierungen auf Kupferbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II 1.1.1. Prozesse der mikroplastischen Verformung dispersionsgehiirteter Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.2. Moglichkeiten zur Erreichung eines hohen Widerstandes bei der mikro plastischen Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17 1.2. Zusammensetzung, Eigenschaften und Verfestigungsbehandlung von Beryllium- bronzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19 1.2.1. Zusammensetzung und Eigenschaften technischer Berylliumbronzen . . . 19 1.2.2. EinfluB der Warmebehandlung auf die Struktur und Eigenschaften von Berylliumbronzen. . . 32 1.2.2.1. Abschreckharten . . . . . . . . . . . 32 1.2.2.2. Ausscheidungshiirtung. . . . . . . . . 39 1.2.2.3. Anfangsstadien der Ausscheidungshiirtung 49 1.2.2.4. Hochtemperatur-Ausscheidungshiirtung . 52 1.2.3. EinfluB der thermomechanischen Behandlung bei niedrigen Temperaturen auf die Struktur und die Eigenschaften der Bronzen 66 1.2.3.1. EinfluB der plastischen Kaltverformung . . . . . . . . 66 1.2.3.2. Ausscheidungshiirtung in verformten Bronzen. . . . . . '69 1.2.3.3. Thermomechanische Vorbehandlung der Berylliumbronze. 79 1.3. Warmebehandlung mikrodotierter Berylliumbronzen. . . . . . . . . . . . . . 84 1.3.1. Moglichkeiten zur Verbesserung der Eigenschaften von Berylliumbronzen. 84 1.3.2. Rolle der Mikrodotierung bei der Ausscheidungshiirtung . . . . . .. 85 1.3.3. Methoden der Auswahl von adsorptionsaktiven Komponenten flir die Mikrodotierung von Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . .. 98 1.3.4. EinfluB der Mikrodotierung auf die Besonderheiten der metallurgischen Herstellung von Berylliumbronzen . . . . . . . . . .. ...... 103 1.3.4.1. Verhalten der Mikrodotierungselemente beim Schmeizen von Beryllium- bronzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 1.3.4.2. EinfluB der Mikrodotierungselemente auf die chemische Inhomogenitat und die Struktur des GuBblockes ............ ' ...... 106 1.3.4.3. EinfluB der Mikrodotierung auf die Plastizitat der Berylliumbronzen bei der Warm-und Kaltformgebung . . . . . . . . . . . . . . .. 112 1.3.5. Struktur und Eigenschaften mikrodotierter Berylliumbronzen bei der Abschreckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112 1.3.6. Prozesse der Ausscheidungshartung mikrodotierter Berylliumbronzen bei niedrigen Temperaturen ...................... 118 8 Inhaltsverzeichnis 1.3.7. Vorgiinge der Ausscheidungshiirtung mikrodotierter Berylliumbronzen bei hohen Temperaturen ....................... 130 1.4. Thermomechanische Behandlung mikrodotierter Berylliumbronzen bei niedrigen Temperaturen .............................. 160 1.4.1. EinfluB der Kaltverformung auf die Struktur und die Eigenschaften der Bronzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 1.4.2. Alterung der verformten mikrodotierten Bronzen 163 1.5. 'StufenfOrmige Alterung der Legierungen . . . . . . . . 175 1.5.1. Allgemeine Einfiihrung. . . . . . . . . . . . 175 1.5.2. Stufenalterung abschreckgehiirteter Berylliumbronzen 177 1.5.3. Stufenalterung der verformten Berylliumbronzen. . . 188 1.5.4. EinfluB der thermomechanischen Behandlung bei niedriger Temperatur mit Vo ralterung auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Beryllium- bronzen . . . . . . . . . . 189 1.6. Dynamische Alterung der Legierungen . 192 1.6.1. Allgemeine Einfiihrung . . . . 192 1.6.2. Dynamische Alterung der Berylliumbronzen 193 1.6.2.1. Beeinflussung der Struktur . . . . . . . . 193 1.6.2.2. Elektronenmikroskopische Untersuchungen des Gefiiges der Beryllium bronze bei der dynamischen Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1.6.2.3. EinfluB der dynamischen Alterung auf die Eigenschaften der Beryllium- bronze. . . . . . . . . . . . . . . . 200 1.7. Technologische Eigenschaften der Berylliumbronzen 205 1.7.1. Restspannungen und Verformung ('ierziehen) der Berylliumbronzen bei der Wiirmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 1.7.2. Restspannungen und Verformung ('ierwerfung) der Berylliumbronzen bei der thermomechanischen Behandlung im Bereich niedriger Temperaturen 210 1.7.3. Stabilisierender EinfluB der Alterung in Berylliumbronzen ....... 215 1.8. Struktur und Eigenschaften der durch Elektroschlackeumschmelzen hergestellten Berylliumbronzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 1.8.1. Allgemeine Einfiihrung ...................... 217 1.8.2. Besonderheiten des Aufbaus der GuBbl6cke aus Berylliumbronze, die nach dem ESU-Verfahren hergestellt wurden ................ 218 1.8.3. EinfluB der Wiirmebehandlung auf die Struktur und die Eigenschaften der nach dem ESU-Verfahren hergestellten Berylliumbronzen ......... 219 1.8.4. EinfluB der thermomechanischen Behandlung bei niedrigen Temperaturen auf die Struktur und die Eigenschaften der Berylliumbronzen. . 227 1.9. Substitution der Berylliumbronze durch Federlegierungen auf Kupferbasis. 234 l.l O. Kalthiirtbare Kupferbasislegierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 242 1.10.1. Allgemeine Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 1.l0.2. EinfluB der plastischen Verformung auf die Eigenschaften kalthiirtbarer Federlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 1.l0.3. EinfluB des Gliihens unterhalb der Rekristallisationstemperatur auf die Eigenschaften verformter Metalle und Legierungen. . . . . . . . . . . 254 lnhaltsverzeichnis 9 1.10.3.1. Einflu13 des Gliihens auf die Eigenschaften verformter Metalle 254 1.10.3.2. EinfluB des Gliihens auf die Eigenschaften der verformten Legierungen. 255 1.10.3.3. Gliihen von Aluminiumbronzen. . . 256 1.10.3.4. Gliihen von Messingen. . . . . . . 263 1.10.3.5. Gliihen von Silizium-Mangan-Bronze 267 1.10.3.6. Gliihen von Neusilberlegierungen . . 270 1.10.3.7. Gliihen von Zinnbronzen. . . . . . 276 1.10.3.8. Geschwindigkeitsgliihen und elektrochemische Behandlung der Feder- legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 1.10.3.9. Wlirmebehandlung von dispersionsgehfutetem Messing. . . 285 2. Federlegierungen auf Nickelbasis . . 287 2.1. Hochfeste Federlegierungen auf Nickelbasis . 287 2.2. Hochkorrosionsfeste Nickellegierungen. . . 290 2.3. Federlegierungen auf Nickelbasis mit hoher Warmfestigkeit . 292 3. Federlegierungen auf Kobaltbasis . 301 3.1. Allgemeine Betrachtungen . . . . . . . . . . 301 3.2. EinfluB der Kaltverformung auf die Struktur und die Eigenschaften der Legierungen 306 3.3. EinfluB des Anlassens nach der Verformung auf die Struktur und die Eigenschaften der Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 4. Federlegierungen auf Edelmetallbasis 312 4.1. Kontaktfederlegierungen auf Silberbasis, die durch innere Oxydation verfestigt werden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 4.2. Federlegierungen auf der Basis von Palladium-, Gold-und Platinlegierungen. 317 Literaturverzeichnis 321 Sachworterverzeichnis 329