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Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn Stranggusslegierung, die bleifrei ausgebildet ist und die sich insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie Zahnrädern, Schneckenrädern, Laufbuchsen oder Linearführungselementen, oder von Armaturenteilen eignen soll und daher gut spanbar sein soll.
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Aus
US 2012/0082588 A1 ist eine bleifreie Kupfer-Zinn-Zink-Rotgusslegierung bekannt, welche hervorragende mechanische Eigenschaften, wie Festigkeit und Hochdruckbelastbarkeit, und gute Bearbeitbarkeit aufweisen soll. Sie umfasst höchstens 8 Gew.-% Zinn, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Schwefel und 6 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-% Zink. Die Ausführungsbeispiele haben einen Zinngehalt von 1,0 bis 5,6 Gew.-% und überwiegend zwischen 2,5 und 3,5 Gew.-%. Der Zinkgehalt liegt zwischen 1,2 und 7,6 Gew.-%. Es wird ein Zinkgehalt von wenigstens 1 Gew.-% vorgeschlagen, da Zink mit Schwefel Zinksulfid bilde, was die Festigkeit und Bruchdehnung verbessere.
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DE 10 2013 014 502 A1 betrifft eine zerspanbare Kupferlegierung mit 0,05 bis 11 Gew.-% Zinn und wenigstens einem Element aus der nachfolgenden Gruppe: Schwefel 0,1 bis 0,80 Gew.-%, Mangan 0,01 bis 0,80 Gew.-%, Tellur 0,01 bis 1,0 Gew.-%, wobei die vorstehenden drei Elemente für die Verbesserung der Zerspanbarkeit zugesetzt werden.
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DE 20 2007 019 373 U1 offenbart eine Kupfer-Zinn-Bronze Stranggusslegierung mit 11 bis 13 Gew.-% Zinn. Die Druckschrift lehrt als Obergrenze für Schwefel 0,05 Gew.-%, was in Verbindung mit weiteren Obergrenzen für Antimon und Zink dafür Sorge trage, dass verbesserte Verschleißeigenschaften nicht wieder verschlechtert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Zinn Stranggusslegierung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich gut und auf wirtschaftliche Weise herstellen und vergießen lässt und nach dem Guss gut spanbar ist und gute mechanische Festigkeits- und Belastungseigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit der vorliegenden Erfindung, welche bei Kupfer-Zinn-Bronze Stranggusslegierungen mit höheren Zinngehalten ihren Ausgangspunkt hat, wurde festgestellt, dass eine Reduzierung des Zinngehalts in den eingangs gegebenen Bereich und die teilweise Substituierung von Zinn durch Zink gießtechnische Probleme mit sich bringt. Es bildet sich ein dendritisches Gefüge, welches sich im Gießvorgang schwer speisen lässt aufgrund des großen Temperaturintervalls zwischen Solidus- und Liquidus-Kurve des Systems. Im Ergebnis bilden sich zwischen den dendritisch aufwachsenden Primärkörnern Hohlräume, nämlich sogenannte Mikrolunker, welche eine Undichtigkeit des Gussstücks und hieraus hergestellter Produkte nach sich ziehen können. Es wurde nun erfindungsgemäß festgestellt, dass die Zugabe von Schwefel im beanspruchten Bereich hier Abhilfe schaffen kann. Es wird davon ausgegangen, dass Schwefel mit Kupfer bzw. Zink Kupfersulfid und Zinksulfid bildet. Ferner wurde festgestellt, dass sich Kupfersulfid und Zinksulfid in den vorgenannten Mikrolunkern ansammelt und diese Hohlräume dadurch dichtend auffüllen. Hierdurch kann das Problem des schlechten Speisungsverhaltens und der hierdurch bedingten Undichtigkeit bei dieser Legierung in zufriedenstellender Weise gelöst werden. Allerdings wird hierdurch ein weiterer Zielkonflikt geschaffen, da sich Zinksulfid wiederum festigkeitsverringernd auswirken kann, indem es sich nicht globulitisch sondern eher spratzig ausscheidet. Weiterhin erhöht Zinksulfid infolge der höheren Härte den Werkzeugverschleiß bei spanabhebender Bearbeitung. Die Erfinder haben sich jedoch dazu entschieden, diese Festigkeitsverringerung in Kauf zu nehmen. Es zeigte sich nämlich, dass dieser Festigkeitsverringerung wiederum entgegengewirkt werden kann, indem der Nickelgehalt in den beanspruchten Bereich angehoben wird. Hierdurch kann die Zugfestigkeit, die Härte und die Kerbschlagzähigkeit, welche durch anteilige Bildung von Zinksulfid herabgesetzt wurde, wieder angehoben wurde, so dass der nachteilige Effekt des Zinksulfids zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden konnte.
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Insgesamt ergibt sich so bei der beanspruchten erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Stranggusslegierung eine wirtschaftliche Herstellbarkeit und dennoch gute Gießbarkeit. Die Zugabe von Schwefel bewirkt mit den sich hieraus bildenden Sulfiden nicht nur eine Verbesserung der Gießbarkeit, sondern es wird auch die Spanbarkeit des Werkstoffs verbessert, indem sich die Sulfide als Spanbrecher während der Bearbeitung auswirken. Die sich bildenden Sulfide haben zudem auch eine schmierende Eigenschaft und können insoweit dieselbe Eigenschaft des substituierten Bleis zumindest teilweise ersetzen.
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Durch den beanspruchten Nickelgehalt wird das entstehende Gitter neben der Mischkristallverfestigung durch Zinn weiter verspannt. Nickel kann auch mit weiteren Legierungselementen intermetallische Phasen bilden, die als Keime zur Gefügefeinung dienen, beispielsweise Nickel-Eisen-Phasen.
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Wenn vorliegend von einer bleifreien Legierung die Rede ist, so bedeutet dies, dass Blei nicht aktiv als Legierungselement zugegeben ist und dass ein verunreinigungsbedingter Rest an Blei von höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,09 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,08 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,07, insbesondere von höchstens 0,06 und vorzugsweise von höchstens 0,05 Gew.-% vorhanden ist.
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Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung 0,1 - 0,6, insbesondere 0,2 - 0,6, insbesondere 0,3 - 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.
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Im Hinblick auf den Zinkgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 1,5 Gew.%, insbesondere wenigstens 2,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 3,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,5 Gew.-% und weiter insbesondere höchstens 2,0 Gew.-% Zink umfasst.
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Im Hinblick auf den Nickelgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 1,3 Gew.%, insbesondere wenigstens 1,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,0 Gew.-% Nickel umfasst.
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Gießtechnisch erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens bis 0,30 Gew.-% Antimon umfasst. Phosphor kann sich innerhalb der beanspruchten Stranggusslegierung als vorteilhaft erweisen, weil es eine Deoxidation der Schmelze bewirken kann, während Wasserstoff durch das Zinn wirksam ausgetrieben werden kann. Eisen kann, mit Nickel vorteilhafte Phasen ausbilden, wobei es sich aber andererseits bei Mengen oberhalb von 0,2 Gewichtsprozent als gießtechnisch problematisch erweist. Antimon setzt sich an den Korngrenzen ab und versprödet dadurch das Material.
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Eine bevorzugte Zusammensetzung der Stranggusslegierung umfasst neben den Legierungsbestandteilen nach Anspruch 1 weiter höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens bis 0,15 Gew.-% Antimon umfasst und als Rest Kupfer und verunreinigungsbedingte Bestandteile von jeweils weniger als 0,1 Gew.-% und insgesamt höchstens 0,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,5 Gew.-%.
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Hinsichtlich des Zinngehalts kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 4,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,5 Gew.-% und insbesondere höchstens 6,5 Gew.-% Zinn umfasst. Insbesondere kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Stranggusslegierung mit 4,0 - 6,5 Gew.-% Zinn bzw. nach einer anderen Ausführungsform mit 5,4 - 8,0 Gew.-% Zinn dargeboten wird.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Stranggusslegierung der beanspruchten Zusammensetzung im erschmolzenen Zustand. Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Stranggusslegierung der beanspruchten Zusammensetzung im vergossenen Zustand.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung, wobei der Strangguss-Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt wenigstens 83,0 Gew.-% Kupfer,
4,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
1,1 bis 3,0 Gew.-% Nickel und
1,0 bis 3,5 Gew.-% Zink umfasst, wobei die Summe aus Zinn und Zink 10,0 Gew.-% nicht übersteigt.
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Ferner sind Gegenstand der Erfindung spanend gefertigte Maschinenteile oder Getriebeteile, insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, oder spanend gefertigte Armaturenteile für die Leitung von Fluiden hergestellt durch spanende Bearbeitung eines Strangguss-Rohlings oder Strangguss-Zwischenprodukts der hier beanspruchen Art.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0082588 A1 [0002]
- DE 102013014502 A1 [0003]
- DE 202007019373 U1 [0004]