DE102021110302A1 - Copper-tin continuously cast alloy - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, die bleifrei ausgebildet ist, insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, oder für die Herstellung von Armaturenteilen für die Leitung von Fluiden, umfassend3,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,1,5 - 6,0 Gew.-% Zink,0,1 - 1,8 Gew.-% Indium,0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink 5,0 - 12,0 Gew.-% beträgt,wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,5 - 2,0 Gew.-% beträgt,und weiter gegebenenfalls umfassend folgendeLegierungselementebis 0,20 Gew.-% Eisen,bis 2,5 Gew.-% Nickel,bis 0,30 Gew.-% Antimon,bis 0,50 Gew.-% Mangan,bis 0,3 Gew.-% Phosphor,und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und Rest Kupfer.The subject matter of the invention is a copper-tin continuous cast alloy which is lead-free, in particular for the production of machine parts or transmission parts, such as in particular gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide parts, or for the production of fitting parts for the conduction of fluids, comprising3.0 - 8.0 wt% tin,1.5 - 6.0 wt% zinc,0.1 - 1.8 wt% indium,0.2 - 0.8 wt% sulphur,wherein the sum of the weight percentages of tin and zinc is 5.0 - 12.0 wt%, the sum of the weight percentages of indium and sulfur being 0.5 - 2.0 wt%, and further optionally comprising the following alloying elements bis 0.20% iron, up to 2.5% nickel, up to 0.30% antimony, up to 0.50% manganese, up to 0.3% phosphorus, and impurity-related elements in each case up to a maximum of 0.10% by weight and in total up to a maximum of 0.5% by weight, and the remainder copper.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, die bleifrei ausgebildet ist und 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, die sie insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie Zahnrädern, Schneckenrädern, Laufbuchsen oder Linearführungselementen, oder für die Herstellung von Armaturenteilen für die Leitung von Fluiden geeignet erscheinen lässt.The invention relates to a copper-tin continuously cast alloy which is lead-free and which can be produced and cast easily and economically and is easy to machine after casting and has good mechanical strength and load-bearing properties, which are particularly useful for the production of machine parts or transmission parts, such as gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide elements, or for the production of fitting parts for the conduction of fluids.
Mit der vorliegenden Erfindung, welche bei Kupfer-Zinn-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. Eine Verwendung der Stranggusslegierung zur Herstellung von Armaturenteilen wäre dann nicht möglich.With the present invention, which has its starting point in copper-tin continuous casting alloys with higher tin contents, it was found that a reduction of the tin content in the range given at the outset and the partial substitution of tin by zinc entails casting problems. A dendritic structure is formed, which is difficult to feed in the casting process due to the large temperature interval between the solidus and liquidus curves of the system. As a result, cavities form between the dendritically growing primary grains, namely so-called micro blowholes, which can result in leaks in the casting and in the products made from it. It would then not be possible to use the continuously cast alloy for the production of valve parts.
Die Weglassung von Blei führt außerdem dazu, dass die Spanbarkeit der Legierung nicht den Anforderungen gerecht wird.The omission of lead also means that the machinability of the alloy does not meet the requirements.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Aspekten bei einer Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung weitgehend gerecht, ohne dass dem Ausgangsmaterial Blei zugegeben wird.The present invention is based on the object of largely meeting the aspects mentioned at the outset for a copper-tin continuous casting alloy without lead being added to the starting material.
Diese Aufgabe wird durch eine bleifreie Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a lead-free continuous cast copper-tin alloy having the features of claim 1.
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.If a lead-free alloy is mentioned here, this means that lead is not actively added as an alloying element and that an impurity-related residue of lead of at most 0.10% by weight, in particular at most 0.09% by weight, in particular at most 0.08% by weight, in particular at most 0.07% by weight, in particular at most 0.06% by weight and preferably at most 0.05% by weight.
Es wurde nun erfindungsgemäß festgestellt, dass die Zugabe von Indium im beanspruchten Bereich die Vergießbarkeit wesentlich verbessern kann. Es wurde festgestellt, dass Indium mit Zinn bzw. Kupfer eine niedrigschmelzende Phase, ähnlich einer peritektischen Phase, bildet und dass diese niedrigschmelzende Phase sich bevorzugt in den vorgenannten Mikrolunkern ansammelt und diese Hohlräume dadurch dichtend aufzufüllen vermag. Hierdurch kann das Problem des schlechten Speisungsverhaltens einer zinkhaltigen Kupfer-Zinn Legierung in zufriedenstellenderer Weise gelöst werden. Insgesamt ergibt sich bei der beanspruchten erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Stranggusslegierung eine wirtschaftliche Herstellbarkeit und dennoch eine gute Gießbarkeit. Die Zugabe von Indium bewirkt mit der oder den sich hieraus bildenden quasiperitektischen Phase(n) nicht nur eine Verbesserung des Speisungsverhaltens und damit der Gießbarkeit, sondern es wird auch die Spanbarkeit des Werkstoffs verbessert, indem sich die Indium aufweisenden Phasen als Spanbrecher während der spanenden Bearbeitung auswirken. Diese Phasen sind nämlich vergleichsweise hart, sie weisen jedoch einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als die metallische Grundmatrix der Legierung. Weiter wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass sich ein Teil des Indiums durch Zugabe von gegenüber Indium preiswerterem Schwefel gewissermaßen substituieren lässt und dass dennoch eine Verbesserung der Dichtspeisung und der Spanbarkeit erzielt werden kann. Allerdings kann eine Kombination von Indium und Schwefel zu einer Benetzung und Anhaftung an der Gießform führen, was unerwünscht ist. Daher wird die Summe des Anteils aus Indium und Schwefel auf 2,0 Gew.-% begrenzt.It has now been found according to the invention that the addition of indium in the claimed range can significantly improve castability. It was found that indium forms a low-melting phase with tin or copper, similar to a peritectic phase, and that this low-melting phase accumulates preferentially in the aforementioned microshrinks and is thus able to fill these cavities in a sealing manner. This can more satisfactorily solve the problem of poor feeding performance of a zinciferous copper-tin alloy. Overall, the composition of the continuously cast alloy claimed according to the invention results in economic manufacturability and nevertheless good castability. The addition of indium with the resulting quasiperitectic phase(s) not only improves the feeding behavior and thus the castability, but also improves the machinability of the material because the indium-containing phases act as chip breakers during machining affect. This is because these phases are comparatively hard, but they have a lower melting point than the metallic base matrix of the alloy. It was also found according to the invention that part of the indium can be substituted to a certain extent by adding sulfur, which is cheaper than indium, and that an improvement in dense feeding and machinability can nevertheless be achieved. However, a combination of indium and sulfur can cause wetting and adhesion to the mold, which is undesirable. Therefore, the sum of the proportion of indium and sulfur is limited to 2.0% by weight.
Durch die Zugabe von Nickel kann die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert werden und der Wandstärkeneinfluss auf die mechanische Festigkeit nimmt ab. Bei Zugabe von Nickel im beanspruchten Umfang kann das entstehende Gitter neben der Mischkristallverfestigung durch Zinn noch weiter verspannt werden. Nickel kann auch mit weiteren Legierungselementen intermetallische Phasen bilden, die als Keime zur Gefügefeinung dienen, beispielsweise Nickel-Eisen-Phasen.The corrosion resistance of the alloy can be improved by adding nickel and the influence of the wall thickness on the mechanical strength decreases. If nickel is added to the required extent, the resulting lattice can be further strained by tin in addition to solid solution strengthening. Nickel can also form intermetallic phases with other alloying elements, which serve as nuclei for structural refinement, for example nickel-iron phases.
Gießtechnisch erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung höchstens 0,30 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens 0,30 Gew.- % Antimon umfasst. Phosphor kann sich innerhalb der beanspruchten Stranggusslegierung als vorteilhaft erweisen, weil es eine Desoxidation 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 Gew.-% als gießtechnisch problematisch erweist. Antimon setzt sich an den Korngrenzen ab und versprödet dadurch das Material etwas, was sich im Hinblick auf das Ziel einer guten Spanbarkeit durch brechende Späne durchaus als vorteilhaft erweist.In terms of casting technology, it is also advantageous if the continuously cast alloy contains at most 0.30% by weight, in particular at most 0.10% by weight, in particular 0.03-0.08% by weight, of phosphorus, at most 0.20% by weight -% iron and at most 0.30% by weight antimony. Phosphorus may prove advantageous within the claimed continuously cast alloy because it can effect deoxidation of the melt while hydrogen can be efficiently driven off by the tin. Iron can form advantageous phases with nickel, but on the other hand it proves to be problematic in terms of casting at amounts above 0.2% by weight. Antimony settles at the grain boundaries and thereby embrittles the material somewhat, which has a bearing on the goal of good machinability proves to be advantageous due to breaking chips.
Mangan kann ebenfalls zur Desoxidation der Schmelze eingesetzt werden. Während der Erstarrung kann Mangan, ähnlich wie Nickel, in das metallische Gitter eingebaut werden. Dabei sinkt jedoch die Löslichkeit für das Element Zinn, und die Erstarrungstemperaturen werden im Allgemeinen erniedrigt. Manganese can also be used to deoxidize the melt. Similar to nickel, manganese can be incorporated into the metallic lattice during solidification. However, this reduces the solubility for the element tin and the solidification temperatures are generally lower.
Nachteilig sind die relativ dichten Oxidhäute, die zu unkontrollieren Festigkeitsabfällen führen können. Daher wird der Mangan-Gehalt bis auf 0,5 Gew.-% begrenzt.The disadvantage is the relatively dense oxide skins, which can lead to uncontrolled drops in strength. The manganese content is therefore limited to 0.5% by weight.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel wenigstens 0,6 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,7 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,8 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,9 Gew.-% insbesondere wenigstens 1,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,1 Gew.-%, besondere wenigstens 1,2 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 1,9 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,7 Gew.-% beträgt.It has proven to be advantageous if the sum of the percentages by weight of indium and sulfur is at least 0.6% by weight, in particular at least 0.7% by weight, in particular at least 0.8% by weight, in particular at least 0.9 % by weight, in particular at least 1.0% by weight, in particular at least 1.1% by weight, in particular at least 1.2% by weight and/or in particular at most 1.9% by weight, in particular at most 1, 8% by weight, in particular at most 1.7% by weight.
In weiterer Ausbildung der vorliegenden Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 0,2 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,4 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,7 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,0 Gew.-%, und/oder höchstens 1,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,7 Gew.-% Indium umfasst.In a further embodiment of the present invention, it proves to be advantageous if the copper-tin continuous casting alloy contains at least 0.2% by weight, in particular at least 0.3% by weight, in particular at least 0.4% by weight, in particular at least 0.5% by weight, in particular at least 0.7% by weight, in particular at least 1.0% by weight, and/or at most 1.8% by weight, in particular at most 1.7% by weight, indium includes.
Im Hinblick auf den Schwefelanteil erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 0,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,4 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 0,7 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.With regard to the sulfur content, it proves to be advantageous if the copper-tin continuously cast alloy contains at least 0.3% by weight, in particular at least 0.4% by weight and/or in particular at most 0.7% by weight, in particular at most 0.6% by weight sulfur.
Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 3,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,5, insbesondere wenigstens 5,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 6,0 Gew.-% und/oder höchstens 7,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 7 Gew.-% Zinn umfasst.It is also found to be advantageous if the copper-tin continuous casting alloy contains at least 3.0% by weight, in particular at least 4.0% by weight, in particular at least 4.5%, in particular at least 5.0% by weight, in particular at least 5.5% by weight, in particular at least 6.0% by weight and/or at most 7.5% by weight, in particular at most 7% by weight, of tin.
Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 2,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 2,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 3,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 3,5, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.- % und/oder insbesondere höchstens 5,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 5,0 Gew.-% Zink umfasst.Furthermore, it proves to be advantageous if the copper-tin continuous casting alloy contains at least 2.0% by weight, in particular at least 2.5% by weight, in particular at least 3.0% by weight, in particular at least 3.5 in particular at least 4.0% by weight and/or in particular at most 5.5% by weight, in particular at most 5.0% by weight zinc.
Eine für die Herstellung von Trinkwasserarmaturen oder Trinkwasserverrohrung geeignete Stranggusslegierung umfasst 3,0 bis 5,0 Gew.-% Zinn und 1,5 - 3,0 Gew.-% Zink.A continuously cast alloy suitable for the production of drinking water fittings or drinking water piping comprises 3.0 to 5.0% by weight of tin and 1.5 to 3.0% by weight of zinc.
Eine für die Herstellung von sonstigen Armaturen, insbesondere Sanitärarmaturen und Sanitärverrohrung geeignete Stranggusslegierung umfasst 5,5 bis 8,0 Gew.-% Zinn und 2,0 - 5,0 Gew.-% Zink, wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink 8,0 - 12,0 Gew.-% beträgt.A continuous casting alloy suitable for the production of other fittings, in particular sanitary fittings and sanitary piping, comprises 5.5 to 8.0% by weight of tin and 2.0 to 5.0% by weight of zinc, the sum of the percentage by weight of tin and Zinc is 8.0-12.0% by weight.
Auch erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink wenigstens 8,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 10,0 Gew.-%, und/oder höchstens 11,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,0 Gew.-% beträgt.It also proves to be advantageous if the sum of the percentages by weight of tin and zinc is at least 8.5% by weight, in particular at least 9.0% by weight, in particular at least 9.5% by weight, in particular at least 10 0% by weight and/or at most 11.5% by weight, in particular at most 11.0% by weight.
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.The subject matter of the present invention is a continuously cast alloy of the claimed composition in the molten state. Furthermore, the subject matter of the present invention is a continuously cast alloy of the claimed composition in the cast state.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung der beanspruchten Art und Zusammensetzung und mit derselben Zusammensetzung wie diese Stranggußlegierung.The subject of the present invention is also a continuously cast blank or a continuously cast intermediate product, in particular in the form of a strand or tube, produced by casting a continuously cast alloy of the type and composition claimed and having the same composition as this continuously cast alloy.
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 beanspruchten Art.The subject matter of the invention also includes machine parts or transmission parts, in particular gears, worm wheels, bushings or linear guide parts, or machined fitting parts for conducting fluids, produced by machining a continuously cast blank or continuously cast intermediate product of the type claimed here.
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