DE102021110306A1

DE102021110306A1 - Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung

Info

Publication number: DE102021110306A1
Application number: DE102021110306.1A
Authority: DE
Inventors: Abram Tammen; Niklas Tammen
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: EP4271846A1; WO2022223687A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, 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, umfassend9,0 - 15,0 Gew.-% Zinn,0,1 - 2,0 Gew.-% Indium,0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,7 - 2,0 Gew.-% beträgt,und weiter gegebenenfalls umfassend folgende Legierungselementebis 0,20 Gew.-% Eisen,bis 2,5 Gew.-% Nickel,bis 0,30 Gew.-% Antimon,bis 0,50 Gew.-% Mangan,bis 0,3 Gew.-% Phosphor,bis 0,5 Gew.-% Zink,und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und Rest Kupfer.

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.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass sich ein dendritisches Gefüge bildet, 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.
Die Weglassung von Blei führt außerdem dazu, dass die Spanbarkeit der Legierung nicht den Anforderungen gerecht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Aspekten bei einer Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung weitgehend gerecht zu werden, ohne dass dem Ausgangsmaterial Blei zugegeben wird.
Diese Aufgabe wird durch eine bleifreie Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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 sein kann.
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 eines bisweilen schlechten Speisungsverhaltens der 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.
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.
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.
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. Nachteilig sind die relativ dichten Oxidhäute, die zu unkontrollieren Festigkeitsabfällen führen können. Daher wird der Mangan-Gehalt bis auf 0,5 Gew.-% begrenzt.
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.
Es erweist sich weiter 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.
In weiterer Ausbildung der vorliegenden Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 9,5, insbesondere wenigstens 10,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 10,5 Gew.-%, und/oder höchstens 14,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 13,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 12,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,0 Gew.-% Zinn umfasst.
Weiter 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.
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.
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.
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.

Claims

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, umfassend 9,0 - 15,0 Gew.-% Zinn, 0,1 - 2,0 Gew.-% Indium, 0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel, wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,5 - 2,0 Gew.-% beträgt, und weiter gegebenenfalls umfassend folgende Legierungselemente bis 0,20 Gew.-% Eisen, bis 2,5 Gew.-% Nickel, bis 0,30 Gew.-% Antimon, bis 0,50 Gew.-% Mangan, bis 0,3 Gew.-% Phosphor, bis 0,5 Gew.-% Zink, und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und Rest Kupfer.
Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 0,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,4 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 0,7 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.
Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 9,5, insbesondere wenigstens 10,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 10,5 Gew.-%, und/oder höchstens 14,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 13,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 12,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,5 Gew.- %, insbesondere höchstens 11,0 Gew.-% Zinn umfasst.
Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 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.
Strangguss-Rohling oder Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, im Stranggießverfahren, wobei der Strangguss-Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt umfasst: 9,0 - 15,0 Gew.-% Zinn, 0,1 - 2,0 Gew.-% Indium, 0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel, wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,5 - 2,0 Gew.-% beträgt, und weiter gegebenenfalls folgende Legierungselemente bis 0,20 Gew.-% Eisen, bis 2,5 Gew.-% Nickel, bis 0,30 Gew.-% Antimon, bis 0,50 Gew.-% Mangan, bis 0,3 Gew.-% Phosphor, bis 0,5 Gew.-% Zink, und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und Rest Kupfer umfasst.
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 nach Anspruch 6.