USE OF A CURABLE COPPER-NICKEL-MANGANESE ALLOY IN THE MANUFACTURE SPECTACLE COMPONENTS

Abstract: 1. Use of a precipitation-hardenable copper/nickel/manganese alloy of 15 to 25% by weight of nickel, 15 to 25% by weight of manganese, up to 5% by weight of cobalt, 0,05 to 0,5% by weight of beryllium, remainder copper, including small deoxidizing and processing additions with a fine grained structure with a maximum grain size of 0.015 mm, which was subjected to a precipitation-hardening treatment in the temperature range from 300 to 500 degrees C to increase the strength, as a material for producing spectacle parts.

Description: Verwendung einer aushärtbaren Eupfer-Nickel-Mangan-Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Brillenteilen Die Erfindung betrifft die Verwendung einer aushärtbaren Eupfer-Nickel-Mangan-Legierung als Werkstoff für die Herstellung von Brillenteilen, der ein feinkörniges Gefüge mit einer maximalen Korngrösse von 0,015 mm aufweist. Aus der DE-AS 11 70 652 sind Eupfer-Nickel-Mangan-Legierungen als Werkstoff zur Herstellung von geglühten Werkstücken mit hoher Dämpfungsfähigkeit bekannt, wie z. B. Eurbel- und Nockenwellen. Diese aus 18 bis 22 Gew.* Nickel, 18 bis 22 Gew. Mangan, Rest Kupfer mit einem Reinheitsgrad von 99 ffi bestehenden Werkstoffe können bis zu insgesamt 1 ffi die Elemente Eisen, Silizium, Aluminium, Zink, Beryllium, Titan, Chrom und Vanadium als unabsichtliche Verunreinigung enthalten. In der Fachzeitschrift "Der Augenoptiker", Heft 8/80, Seiten 20 bis 24 und Heft 9/80, Seiten 8 bis 15, wird ferner u. a. eine aushärtbare Legierung aus 20 Gew.k Nickel, 20 Gew.% Mangan, Rest Kupfer beschrieben, die bereits für die Herstellung hochfester Brillenteile verwendet wird. Diese bekannte Legierung wird nach einer Lösungsglühung bei 8200C zunächst abgeschreckt, dann einer Kaltverformung unterzogen und abschliessend zur Festigkeitssteigerung bei 4000C für 2 bis 10 Stunden ausgehärtet. Wird dieses Material nun nach einer hohen Kaltverformung bei 4000C ausgehärtet, so steigt die Vickershärte kontinuierlich mit der Aushärtungszeit beträchtlich an. Bereits ab einer Vickershärte von 400 beginnt dieses Material jedoch nachteiligerweise zu verspröden, wobei es dann bei Biegebeanspruchungen sehr leicht bricht. Eine weitere Härtesteigerung ist zwar möglich, jedoch bringt diese aufgrund der hohen Versprödungsneigung des Materials keine Vorteile für die beabsichtigte Anwendung. Die Versprödungsneigung der Eupfer-Nickel-Mangan- Legierung wird dabei durch ansgeprägte diskontinuierliche Ausscheidungen an den Korngrenzen hervorgerufen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brillenlegiernng mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zur Verfügang zn stellen. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung einer aushärtbaren Eupfer-Nickel-Mangan-Legierung, die aus 10 bis 30 Gew,k Nickel, 10 bis 30 Gew.* Mangan, bis zn 5 Gew.k Kobalt, 0,05 bis 1,0 Gew.% Beryllinm, Rest Kupfer einschliesslich geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze besteht, als Werkstoff mit einem feinkörnigen Gefüge mit einer maximalen Korngrosse von 0,015 mm zur Herstellung von Brillenteilen, wobei der Werkstoff zur Festigkeitssteigerung einer Aushärtungsbehandlung im Temperaturbereich von 300 bis 5000C nnterzogen wurde. Überraschend ist bei den erfindungsgemäss zu verwendenden Eupfer-Nickel-Mangan-Legierungen insbesondere deren extreme Feinkörnigkeit des Gefüges, durch die eine Versprödung vermieden wird. Die Aushärtungsbehandlung wird damit völlig nnkritisch und zudem zeichnet sich der Werkstoff durch eine leichtere Verarbeitbarkeit und durch eine hohe Oberflächengüte aus. Die Kornfeinung wird durch den relativ geringen Berylliumzusatz bewirkt, wobei das Beryllium während der Homogenisierungsglahung nicht in Lösnng geht, sondern zn einer Ausscheidung von sehr feinen und gleichmässig verteilten Nickel-Beryllium-Teilchen führt. Es wird angenommen, dass die Nickel-Beryllium-Teilclien bei der Rekristallisation zuerst als Keimstellen wirken und anschliessend nach erfolgter Rekristallisation das Kornwachstum behindern. Eine Kornvergröberung wurde auch nach längerer Wärmebehandlung nicht beobachtet. Der durchschnittliche Korngrössenbereich liegt bei der erfindungsgemäss zu verwendenden Legierung zwischen 0,008 und 0,012 mm, wobei ein Maximalwert von höchstens 0,015 mm auftritt. Aufgrund der relativ trägen Aushärtungscharakteristik aus dem weichen Zustand kann für Eupfer-Nickel-Mangan-Legierungen mit einem Nickel- bzw. Mangangehalt kleiner als 18 Gew. für die Weichglühung statt der bisher üblichen Durchlaufglühung sogar die kostengünstigere stationäre Glühung, beispielsweise in einem Haubenofen, angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zusammensetzung der erfindungsgemäss zu verwendenden Legierung aus 15 bis 25 Gew. Nickel, 15 bis 25 Gew. Mangan, 0,1 bis 0,5 Gew.% Beryllium, Rest Kupfer einschliesslich geringer Desoxidations- und Ver arbeitungszusätze besteht. In weiteren Untersuchungen hat es sich ferner herausgestellt, dass es günstig ist, den Mangangehalt der Legierung ganz oder teilweise durch Zinn zu ersetzen, wobei der Zinngehalt 8 Gew.k nicht übersteigen sollte. Hierdurch wird eine Erniedrigung des Elastizitätsmoduls erreicht, was bei federnden Brillenteilen besonders wünschenswert ist. Weitere Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäss zu verwendenden Legierung ergeben sich, wenn dem Ausgangswerkstoff auf Kosten des Kupfergehaltes bis zu 5 Gew. Eisen und/oder Zink und weiterhin bis zu 3 Gew,k mindestens eines Elementes aus der Gruppe Aluminium, Silizium, Titan und Chrom nnd/oder bis zu 1 Gew. mindestens eines Elementes aus der Gruppe Zirkon, Niob, Vanadium, Molybdän und Wolfram zugegeben wird. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäss zu verwendende Legierung zunächst bei 700 bis 9000C zur Homogenisierung der Bestandteile geglüht und dann einer mindestens 50%igen Querschnittsverringerung unterzogen. Anschliessend wird die Legierung im Temperaturbereich von 350 bis 4500C zur Aushärtung 0,5 bis 20 Stunden lang wärmebehandelt. Anhand von zwei Figuren und einigen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert: Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Hartesteigerang von der Aushärtungszeit für eine bei 4000 wärmebehandelte erfindungsgemäss zn verwendende Legierung. Fig. 2 stellt ein Schliffbild einer erfindungsgemäss zu verwendenden Legierung in 400-facher Vergrösserung dar. Der Einfluss der Wärmebehandlung auf die wesentlichen mechanischen Eigenschaften und die maximale Korngrösse werden im folgenden an fünf Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung beispielhaft dargestellt. Die Zusammensetzung dieser Legiernngen ist in Tabelle 1 jeweils in Gew. angegeben. Tabelle 1 Leg. Z u s a m m e n s e t z u n g in Gew. Ni Mn Co Be Sn Cn 1 15,0 15,0 - 0,5 - Rest 2 17,5 17,5 - 0,2 - Rest 25,0 25,0 - 0,2 - Rest 4 25,0 22,0 3,0 0,2 - Rest 5 15,0 1,0 - 0,2 6,0 Rest Die Legierungen wurden in üblicher Weise im Vakuum erschmolzen. Nach einer Homogenisierungsglühung wurden die Blöcke bei 850 0C auf eine Dicke von 5,3 mm heissgewalzt und dann teilweise unter Einschaltung von Zwischenglühungen einer querschnittsverringernden Bearbeitung auf eine Enddicke von 2,2 mm unterzogen. Die Legierungen 1 und 2 wurden stationär in einem Haubenofen 0,5 Stunden bei 750 C geglüht und unter Wasserstoffatmosphäre auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die Abkühlbedingungen unkritisch waren und eine schroffe Abschreckung nicht erforderlich ist. Die Legierungen 3 bis 5 wurden im Durchlaufofen geglüht und in Wasser abgeschreckt. An Vergleichsproben wurde festgestellt, dass weder nach einer Durchlaufglahung noch nach stationärer Glühung ein Kornwachstum eingesetzt hatte und die maximale Korngrösse nicht grösser als 0,015 mm war. Die Vickershärte wurde an verschiedenen Legierungen nach etwa 50iger Kaltverformung und nach Aushärtung bei Temperaturen zwischen 350 und 450 0 geprüft. Die weiteren mechanischen Eigen- schaften sowie die jeweilige Korngrösse wurden im Zustand "hartt' (50k kaltverformt) sowie nach Aushärtung bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt. Eine Auswahl von Messergebnissen ist in Fig. 1 dargestellt und in Tabelle 2 aufgeführt. Aus Fig. 1 ergibt sich der Aushärtungsverlauf für zwei verschiedene Eupfer-Nickel-Mangan-Legierungen mit Berylliumzusatz. Hierbei ist in Kurve 11 insbesondere die sehr träge Aushärtung der Legierung 2 aus dem weichen Zustand deutlich zu erkennen. Im Vergleich hierzu zeigt Kurve 12 das Aushärtungsverhalten der Legierung 2 nach 50*der Ealtverformung. Ebenfalls dargestellt sind die Härtewerte der Legierung 4 in weichem Zustand (Kurve 13) sowie nach zeiger Kaltverformung (Kurve 14). Beide erfindungsgemäss zu verwendenden Legierungen erreichen ohne zu verspröden insgesamt höhere Vickershärten als die bekannte berylliumfreie Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung. In den einzelnen Spalten der Tabelle 2 sind die Legiernngsnummer (entsprechend der Bezeichnung in Tabelle 1), die Temperatur sowie die Dauer der zur Aushärtung verwendeten Wärmebehandlung angegeben. Die weiteren Spalten enthalten die Zugfestigkeit, die Streckgrenze sowie die Vickershärte HV. Als Mass für die Feinkörnigkeit der untersuchten Legierung ist in der letzten Spalte der Tabelle 2 die maximale Korngrösse in mm angegeben. Tabelle 2 Leg. Wärmebehandlung Rm Rp0,2 Vickers- EozngiBe Temp.( C) Dauer(Std.) (N/mm2) (N/mm2) härte (mm) 1 400 16 1450 1420 405 0,008 2 - - 960 880 255 0,010 2 400 2 1370 1300 395 0,010 2 400 16 1500 1450 437 0,010 2 450 8 1460 1400 420 0,010 3 400 4 1700 1680 470 0,015 4 400 4 1610 1500 460 0,015 4 450 2 1620 1570 460 0,015 5 375 2 1220 1200 380 0,015 Aus Tabelle 2 ist insbesondere zu ersehen, dass die jeweilige maximale Korngrösse völlig unabhängig von der Dauer und der Temperatur der Aushärtungsbehandlung für jede Legierung konstant bleibt. Diese durch die Kornfeinung erreichte Eigenschaft erlaubt es, die erfindungsgemäss zu verwendenden Legierungen maximal auszuhärten, ohne dass eine Versprödung auftritt. Insgesamt kann daher die an sich bekannte Aushärtungsfähigkeit der Eupfer-Nickel-Mangan- Legierung in vorteilhafter Weise voll ausgenutzt werden. In einem Schliffbild (Fig.2) ist der feinkörnige Gefügezustand der Legierung 2 in 400-facher Vergrösserung dargestellt. Deutlich ist die durch den Berylliumzusatz begründete Teilchendispersion von Nickel-Berylliden mit der sehr gleichmässigen und feinen Verteilung von ausgeschiedenen Teilchen zu erkennen. Die maximale Korngrösse der ausgeschiedenen Teilchen betrug in diesem Fall 0,001 mm. Ergänzende Untersuchungen ergaben bei den erfindungsgemäss zu verwendenden Legierungen sowohl eine ausgezeichnete Lötbzw. Schweissbarkeit als auch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber künstlichem Schweiss, so dass diese Legierungen sämtliche Anforderungen hinsichtlich eines geeigneten Werkstoffs für die Herstellung von Brillenteilen erfüllen.

Claims: Patentansprüche 1. Verwendung einer aushärtbaren Eupfer-Nickel-Mangan-Legierung, die aus 10 bis 30 Gew.% Nickel, 10 bis 30 Gew. Mangan, bis zu 5 Gew. Kobalt, 0,05 bis 1,0 Gew.k Beryllium, Rest Kupfer einschliesslich geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze besteht als Werkstoff mit einem feinkörnigen Gefüge mit einer maximalen Korngrösse von 0,015 mm zu Herstellung von Brillenteilen, wobei der Werkstoff zur Festigkeitssteigerung einer Aushärtungsbehandlung im Temperaturbereich von 300 bis 5000C unterzogen wurde. 2. Verwendung einer Legierung gemäss Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese Legierung aus 15 bis 25 Gew.% Nickel, 15 bis 25 Gew. Mangan, 0,1 bis 0,5 Gew. Beryllium, Rest Kupfer einschliesslich geringer Desoxidationsund Verarbeitnngszusatze besteht, zu dem nach Anspruch 1 genannten Zweck. 3. Verwendung einer Legierung gemäss Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Mangangehalt der Legierung ganz oder teilweise durch bis zu 8 Gew.* Zinn ersetzt ist, für den Zweck nach Anspruch 1. 4. Verwendung einer Legierung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, die ausserdem bis zu 5 Gew. Eisen und/oder Zink enthält, für den Zweck nach Anspruch 1. 5. Verwendung einer Legierung gemäss einem der Ansprüche 1 bis die ausserdem bis zu 3 Gew.% mindestens eines Elementes aus der Gruppe Aluminium, Silizium, Titan und Chrom und/oder bis zu 1 Gew. mindestens eines Elementes aus der Gruppe Zirkon, Niob, Vanadium, Molybdän und Wolfram enthält, für den Zweck nach Anspruch 1. 6. Verwendung einer Legierung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Legierung zunächst bei 700 bis 9000C geglüht, dann um mindestens 50 % kaltverformt und anschliessend einer 0,5- bis 20-stündigen Aushärtungsbehandlung bei 950 bis 4500C unterworfen wird, für den Zweck nach Anspruch 1.

Inventors: HAUSCH, GERNOT, DR.
Applicants: VACUUMSCHMELZE GMBH
Application year: 1984
Main classification: C22C9
IPC codes: C22C9, G02C5