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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
