DE19928330A1 - Verwendung einer zinnreichen Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung - Google Patents
Verwendung einer zinnreichen Kupfer-Zinn-Eisen-LegierungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung, die aus 12 bis 20 Gew.-% Zinn; 0,2 bis 5 Gew.-% Eisen; Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht, für die Herstellung mechanischer Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus sowie für die Herstellung elektromechanischer Bauteile. DOLLAR A Aufgrund der Kombination günstiger Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung handelt es sich um eine breite Palette von Verwendungsmöglichkeiten.
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Cu-Sn-Fe-Legierung für mechanisch
beanspruchte Bauteile des Maschinen- oder Fahrzeugsbaus. Die Cu-Sn-Fe-Legie
rung besteht aus Sn 12-20 Gew.-%, Fe 0,2-5,0 Gew.-%, Rest Cu und den übli
chen Verunreinigungen. Die Legierung wird durch eine hinreichend schnelle Abküh
lung aus dem schmelzflüssigen Zustand bei Raumtemperatur in einem solchen
Gefügezustand erhalten, daß die für die Halbzeugherstellung vorliegende Vorform
(Gussband, Gussblock, Gussbolzen) technisch frei von groben, spröden Phasen ist
und sich daher in besonderer Weise für die Herstellung von Halbzeugen - also von
Bändern, Profilen, Drähten, Hohlprofilen oder Rohren - durch Kneten eignet. Diese
Halbzeuge eignen sich hervorragend für die Anfertigung verschiedener mechani
scher Funktionsteile der Feinmechanik, des Fahrzeug- oder des allgemeinen Ma
schinenbaus. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der Herstellungs
weise zeichnet die o. g. Legierung eine hohe mechanische Festigkeit bzw. eine
hohe Verschleißfestigkeit bei hervorragender Duktilität aus. Zudem weist sie eine
gute Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf.
CuSn-Werkstoffe werden wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihres großen
Widerstandes gegen Gleitbeanspruchung bzw. Verschleiß und ihrer Korrosions
beständigkeit für die unterschiedlichsten mechanischen Bauteile des allgemeinen
Maschinenbaus verwendet. CuSn-Knetlegierungen mit typischerweise 8 Gew.-% Sn
sind sehr gut umformbar und eignen sich deshalb auch für die Herstellung kom
plexer Funktionsteile. Sie werden beispielsweise z. B. in Gleitlagern und Getrieben,
als Federn sowie für meerwasserbeanspruchte Teile wie Ketten, Armaturen usw.
eingesetzt. Für Bauteile, die sehr hohen mechanischen Belastungen unterworfen
sind, wie beispielsweise für Zahnräder, bevorzugt man dagegen CuSn-Gußlegierun
gen mit Sn-Gehalten über 10 Gew.-%. Durch den erhöhten Zinn-Gehalt erreichen
die Gußbronzen die geforderte Festigkeit, sie sind allerdings damit auch schlecht
umformbar. Dafür sind im wesentlichen spröde Phasen im Primärgefüge einer sol
chen Gußbronze verantwortlich, die bei den gängigen Gießverfahren während der
Erstarrung entstehen. Diese Phasen können auch durch eine thermische Nach
behandlung nicht entfernt werden, ohne daß Poren oder Ungänzen im Werkstoff
zurückbleiben, welche wiederum die Umformung beeinträchtigen.
Für mechanisch beanspruchte Bauteile des allgemeinen Maschinen- oder Fahr
zeugbaus besteht also der Wunsch nach einem Werkstoff, der den Gegensatz zwi
schen den CuSn-Knetwerkstoffen und den CuSn-Gußwerkstoffen überwindet: Der
Werkstoff soll die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Gußbronzen
mit den Verarbeitungseigenschaften der Knetwerkstoffe kombinieren, wozu beson
ders die Einstellung der Kaltverformbarkeit und gleichzeitige Sicherung einer hohen
mechanischen Festigkeit und Härte notwendig ist.
In jüngster Vergangenheit wurde ein Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Her
stellung vorgestellt, (siehe beispielsweise: S. Hansmann, "Neue Werkstoffe durch Sprühkompaktieren",
METALL 53, 1999, S. 182 ff.) mit denen die Lösung der Aufgabe prinzipiell möglich sein soll
te. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine zinnreiche CuSn-Legierung mit etwa
12-20 Gew.-% Sn, Rest Cu. Hierbei sorgt der hohe Sn-Gehalt für die Festigkeit des
Werkstoffs.
Geeignete Verfahren zum Urformen dieser Legierung sind das Sprühkompaktieren
(siehe beispielsweise: GB-PS 1 379 261, Reginald Gwyn Brooks, (1972), GB-PS 1
599 392, Osprey Metals Ltd., (1978), European Patent 0 225 732, Osprey Metals Ltd., (1986))
oder das Bandgießen (siehe beispielsweise: Vaught, C. F.: Apparatus of and Apparatus for Continuous
Casting of a Metal Strip, Patentschrift USA WO 87/02285 (1987); Wünnenberg, K., From
mann, K., Voss-Spilker, P.: Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von breitem Band,
Offenlegungsschrift DE 36 01 338 A1 (1987)) Der Werkstoff kühlt dabei so schnell aus dem schmelzflüssi
gen Zustand ab, daß die bei Gußstücken übliche Seigerung unterdrückt wird. Das
Primärgefüge dieser Legierung ist demzufolge bei Raumtemperatur frei von makro
skopischen Seigerungen. Unter makroskopischen Seigerungen werden dabei Gefügebestandteile verstanden,
die im Gussgefüge vorhanden sind, einen Anteil von mehr als 10 Vol.-% einnehmen und als
einzelne Phasenfelder eine Abmessung von mehr als 1 mm haben. Die mit diesen Verfahren hergestellten Vorformen können
hervorragend warm oder kalt umgeformt werden.
Der so hergestellte Werkstoff ist vor allem aufgrund seiner exzellenten mechani
schen Eigenschaften vielseitig im Bereich des Maschinenbaus einsetzbar. Dennoch
können einige Mängel festgestellt werden.
Die Prozeßführung beim Urformen ist aus folgenden Gründen schwierig: Wie bei
den konventionellen, vergleichsweise zinnarmen CuSn-Knetlegierungen besteht
auch im vorliegenden Fall die Notwendigkeit zur Desoxidation der Schmelze. Bei
den konventionellen Legierungen werden deshalb der Schmelze sauerstoffaffine
Elemente, wie z. B. Phosphor, zugesetzt. Diese Zusätze werden in der Regel so
ausgewählt, daß neben der Schmelzedesoxidation auch die Werkstoffeigenschaften
(z. B. Festigkeit) günstig beeinflußt werden. Aufgrund der hohen Affinität zu Sauer
stoff neigen die zugesetzten Elemente beim Erschmelzen und Gießen zum Abbren
nen und Verschlacken. Dadurch ist eine aufwendige Prozeßführung zur Einhaltung
von definierten Konzentrationen notwendig. Im allgemeinen beeinflussen die Oxide
der Desoxidationsmittel in der Schmelze auch empfindlich die Schmelzeviskosität
und damit die verfahrenstechnischen Randbedingungen des Urformprozesses wie
z. B. des Sprühkompaktierens. Idealerweise kommt deshalb ein Vakuumofen für den
Schmelzprozeß zum Einsatz, so daß ein Oxidieren der Zusätze weitgehend unter
bunden werden kann. Nicht immer ist jedoch der erforderliche prozeßtechnische
Aufwand zweckmäßig und wirtschaftlich.
Oxide von sauerstoffaffinen Beimengungen können zudem auch bei der Warmum
formung der zinnreichen CuSn-Legierungen entstehen. Sie verschlechtern die Ober
flächenqualität des Umformgutes und führen zu einer Werkzeugverschmutzung und
infolgedessen zu einer verkürzten Standzeit der Werkzeuge. Beim Zerteilen oder
Spanen sind diese Oxide im Werkstoffvolumen ebenfalls unerwünscht, weil sie auf
grund ihrer Härte einen erhöhten Werkzeugverschleiß fördern.
Es drängt sich also der Wunsch nach Werkstoffen auf, die einerseits hinsichtlich
Festigkeit, Umformvermögen und Korrosionsbeständigkeit der oben beschriebenen
CuSn-Legierung zumindest gleichkommen, aber andererseits eine vereinfachte
Handhabung bei Herstellung und Verarbeitung ermöglichen.
Die dadurch gestellte Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung in der Weise
gelöst, daß für mechanische Bauteile des Maschinen- oder Fahrzeugbaus eine
Legierung verwendet wird, die neben Kupfer einen Zinngehalt von 12 bis 20% Sn
und einen Eisengehalt von 0,2 bis 5% Fe enthält. Um eine gute Umformbarkeit zu
erreichen, sollte das Urformen der Legierung abermals mit einem Gießverfahren
erfolgen, bei dem die Entstehung spröder Phasen durch eine hohe Abkühlrate unter
bunden wird. Überraschend ist nun, daß beim Gießen der erfindungsgemäßen Le
gierung mit einem derartigen Verfahren auf die aufwendige Vakuum- oder Schutz
gastechnik weitgehend verzichtet werden kann.
Durch die Einstellung der o. g. Fe- und Sn-Gehalte erreicht die Legierung besonders
gute mechanische Eigenschaften. Jene äußern sich zum einen in einer hohen Fe
stigkeit bzw. Härte, in einer hohen Kriech- bzw. Erweichungsbeständigkeit und in
einem hohen Verschleißwiderstand. Andererseits ist bei den Werkstoffen eine aus
reichend große Zähigkeit festzustellen, die eine bezogene Formänderung durch
Kaltumformung von mehr als 20% ermöglicht.
Sn sorgt überdies für die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs. Der Sn-Gehalt
sollte 20% nicht überschreiten, da dann - auch mit einem unkonventionellen Gieß
verfahren - das verstärkte Auftreten spröder Phasen nicht verhindert werden kann.
Bei der Einstellung der o. g. Fe-Gehalte hat sich herausgestellt, daß die für o. g.
Verwendung relevanten Werkstoffeigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung
die der bekannten CuSn-Legierungen übertrifft. Überraschenderweise ist bei den
angegebenen Fe-Gehalten eine zusätzliche Schmelzedesoxidation, die in den kon
ventionellen CuSn-Legierungen üblicherweise durch P-Zusätze erfolgt, nicht not
wendig. Daneben erschwert Eisen offenbar die Bildung von hartnäckigen Zunder
schichten auf den Oberflächen erwärmter oder warm umgeformter Bauteile. Zur
Erzielung dieser Effekte sowie zur Ausbildung eines homogenen, gleichmäßigen
Gefüges ist ein Mindestgehalt an Fe notwendig. Große Eisenkonzentrationen sollten
vermieden werden, da im Gefüge Agglomerationen von Fe-Teilchen entstehen, die
das Zerteilen bzw. das Zerspanen des Werkstoffs erschweren.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
13.
Aufgrund ihrer metallkundlichen Verwandtschaft kann Eisen ganz oder teilweise
durch Kobalt ersetzt werden.
Zusätze von Mangan und/oder Zink bis zu 5 Gew.-% sind möglich, um den Metall
wert der Legierung zu reduzieren.
Die Einstellung bestimmter Zerspanungseigenschaften wird durch Beimengungen
von Blei oder Graphit bis zu 3 Vol.-% vollzogen. Daneben sorgen diese Zusätze für
verbesserte Notlaufeigenschaften in reib- oder gleitbeanspruchten Bauteilen. Die
Gehalte müssen beschränkt werden, da sich Blei- oder Graphitzusätze nachteilig
auf die Umformung auswirken.
Um die Festigkeitskennwerte weiter zu steigern, kann Aluminium bis zu 2 Gew.-%
zugesetzt werden. Höhere Gehalte sind nicht sinnvoll, da sie eine Oberflächenbear
beitung oder das Fügen des Werkstoffs beeinträchtigen.
Nickel-Zusätze bis zu 5 Gew.-% verbessern die Festigkeitseigenschaften und die
Korrosionsbeständigkeit. Höhere Gehalte fördern Aushärtungsmechanismen, wo
durch die weitere Verarbeitung der Legierung erschwert wird.
Je nach der Art bzw. Arbeitsweise der zur Verfügung stehenden Fertigungseinrich
tung kann Phosphor zur Desoxidation der Schmelze eingesetzt werden. Ein signifi
kanter Effekt tritt ab 0,01% P ein. Zur Vermeidung grober Eisen-Phosphid-Partikel
im Gefüge sollte die Phosphor- so auf die Eisen-Konzentration abgestimmt werden,
daß Fe-GehaltIP-Gehalt < 2. P-Gehalte über 0,5 Gew.-% sind zu vermeiden, da
dadurch einerseits die Duktilität des Werkstoffs verringert wird und andererseits in
der Wärme lose haftende Zunderschichten entstehen, die besonders bei der Warm
umformung stören.
Die Erfindung wird an nachfolgendem Beispiel erläutert.
In Schneckenradgetrieben wie auch bei hochbelasteten Gleitelementen treten Gleit
beanspruchungen zwischen Werkstoffpaarungen unter sehr hohen Flächenpressun
gen auf. Gefordert sind Werkstoffe sehr hoher Festigkeit und ausreichender tribolo
gischer Eigenschaften. Für diese Anwendungen ist die erfindungsgemäße CuSnFe-
Legierung in besonderer Weise geeignet.
Zur Erzeugung eines für die Schneckenradfertigung geeigneten Halbzeugs wurde
ein Bolzen CuSn15Fe0,8 durch Sprühkompaktieren gefertigt. Als Zerstäubergas
wurde Stickstoff verwendet. Die für die durch geeignete Zusätze desoxidierten Le
gierungen typischen Phänomene der Schlackenbildung, des Abbrands und des
Viskositätsanstiegs der Schmelze aufgrund von Oxidbildung konnten bei der erfin
dungsgemäßen Legierung trotz atmosphärischer Schmelzebedingungen vollständig
vermieden werden. Festzustellen war ein leichter Fe-Abbrand von 0,85 Gew.-% auf
0,75 Gew.-% im gesprühten Bolzen, der jedoch für die Fertigung und die Funktion
des Bauteils ohne Bedeutung blieb.
Das Gefüge im gesprühten Zustand war gleichmäßig und metallographisch frei von
Seigerungen. Nach spannender Bearbeitung des Bolzens erfolgte eine Warmumfor
mung durch Strangpressen zu einer Stange mit Durchmesser 20 mm. Die Tempera
tur des Werkstoffs betrug dabei 650°C. Das Stangenmaterial wurde gerichtet.
Der Werkstoff lag nach der Warmumformung im weichen Zustand vor. Die mecha
nischen Eigenschaften wurden mit A10 = 53%, Rp02 = 253 MPa, Rm = 548 MPa, HV
= 133 ermittelt.
Zur Oberflächenegalisierung wurden die Stangen gebeizt. Die weitere Bearbeitung
erfolgte durch Kaltziehprozesse, um die Festigkeitseigenschaften zu steigern. Die
Umformung wurde in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Umformschritt wurden
die Stangen auf einen Durchmesser von 17,9 mm gezogen, entsprechend einer
Flächenreduktion von 20% (Φ = 0,22). Ohne Zwischenglühung erfolgte der zweite
Umformschritt an Durchmesser 15,5 mm. Die Gesamtumformung entsprach somit
einer Flächenreduktion von 40% (Φ = 0,51). Die Stangen wurden nachfolgend ge
richtet.
Zur Vermeidung eines Werkstückverzugs während der spanenden Bearbeitung
wurden innere Spannungen durch eine 4-stündige Glühbehandlung bei 300°C redu
ziert. Das Stangenmaterial zeigte abschließend folgende Eigenschaften: A10 = 5,8
%, Rp0,2 = 709 MPa (Zum Vergleich: Die Streckgrenze R,p02 einer konventionell gefertigten CuSn-Knet
legierung mit 8 Gew.-% Sn beträgt nach einer Kaltumformung mit 40% Flächenreduktion ca.
620 MPa.), Rm = 865 MPa, HV10 = 265.
In der folgenden Tabelle werden die erzielten Eigenschaften mit einer CuSn15,5-
Legierung verglichen, die - abgesehen vom Schmelzen - auf gleiche Weise ver
arbeitet wurde. Der Schmelzprozeß erfolgte bei jener Legierung im Vakuum, so daß
auf desoxidierende Zusätze verzichtet werden konnte. Der prozeßtechnische Auf
wand der Fertigung des CuSn15,5-Werkstoffs war somit erheblich höher als der
Fertigungsaufwand von CuSn15,5FeO,7.
Durch den Einsatz von 0,7 Gew.-% Fe erzielt die erfindungsgemäße Legierung deut
lich bessere mechanischen Eigenschaften als die Fe-freien Variante und ist damit
auch besser für mechanisch beanspruchte Bauteile geeignet die bekannten zinnar
men CuSn-Knetlegierungen. Die Duktilitätskennwerte sind bei beiden Werkstoffen
ähnlich, woraus zu folgern ist, daß Fe-Zusätze geeignet sind, die Entstehung von
Poren und versprödender Oxidzeilen während des Urformens zu erschweren. Dies
war nicht zu erwarten, weil diese Wirkung des Eisens in einer CuSn-Legierung bis
her nicht bekannt war.
Eine Glühbehandlung bei 650°C führt zur Entfestigung der Werkstoffe. Nach 3 h
Glühzeit stellten sich die in unten stehender Tabelle aufgeführten Eigenschaften ein:
Auffallend ist die geringe Entfestigung der erfindungsgemäßen Legierungen: Die
Festigkeitskenngrößen übertreffen deutlich die einer konventionell urgeformten
Zinnbronze mit 8 Gew.-% Sn, (Eine CuSn8-Legierung weist nach einer Kaltumformung mit 40% Flächenreduk
tion und daran angeschlossener Wärmebehandlung typischerweise folgende mechanische
Kenngrößen auf: A10 = 60%, Rp0,2 = 80 MPa, Rm = 350 MPa, HV = 75.) welche vergleichbar umgeformt und wärmebehandelt
wurde. Dies führt zu dem Schluß, daß die Zinn-reichen Legierungen wesentlich
bessere mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen (d. h. Erweichungs
beständigkeit, Relaxationsbeständigkeit, Kriech- bzw. Zeitstandfestigkeit) aufweisen
als die herkömmlichen CuSn-Knetlegierungen. Damit ist die erfindungsgemäße
Legierung auch für den Einsatz unter erhöhter Temperatur geeignet.
Im direkten Vergleich der Zinn-reichen, sprühkompaktierten Werkstoffe erreicht die
Fe-haltige Legierung nach der Wärmebehandlung die höheren Festigkeitswerte,
was Hinweis für eine höhere Temperaturbeständigkeit der mechanischen Eigen
schaften ist.
Anhand dieser Ergebnisse kann also gezeigt werden, daß der prozeßtechnische
Aufwand zur Herstellung zinnreicher CuSn-Legierungen durch einen erhöhten Fe-
Gehalt umgangen und eine Verbesserung der anwendungsrelevanten Werkstoff
schaften erzielt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird demnach gelöst.
Claims (13)
1. Verwendung einer Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung, die aus 12 bis 20 Gew.-%
Zinn, 0,2 bis 5 Gew.-% Eisen, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen
besteht, für die Herstellung mechanisch beanspruchter Bauteile des
Fahrzeug- und des allgemeinen Maschinenbaus.
2. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Funktionselementen
des Maschinenbaus, insbes. für die Herstellung von Hebeln, Federn, Zahnrä
dern, Schneckenrädern, Walzen, Spindelmuttern, Bolzen und Schrauben.
3. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Gleitlagern, Kupplungs
stücken oder Friktionsscheiben aus dem Fahrzeug- oder Maschinenbau.
4. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von elektromechanischen
Bauteilen, insbes. für die Herstellung von Relaisfedern, Schaltelementen,
Kontakten, Steckverbindern.
5. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1
mit 12 bis 14 Gew.-% Zinn, 1 bis 5 Gew.-% Eisen;
für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
6. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1
mit 15 bis 17 Gew.-% Zinn, 0,3 bis 4 Gew.-% Eisen;
für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
7. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1
mit 16 bis 20 Gew.-% Zinn, 0,3 bis 3 Gew.-% Eisen;
für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
8. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 7, bei der
das Eisen ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt ist, für den Zweck nach
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
9. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 8,
die zusätzlich bis zu 5 Gew.-% Nickel enthält, für den Zweck nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
10. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 9, die
zusätzlich bis zu 2 Gew.-% Aluminium enthält, für den Zweck nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
11. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 10, die
zusätzlich Mangan und/oder Zink bis zu insgesamt 5 Gew.-% enthält, für den
Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
12. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 11, die
zusätzlich bis zu 3 Vol.-% Blei und/oder intermetallische Phasen und/oder
Graphit als Spannbrecher enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 4.
13. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 12, die zu
sätzlich 0,01 bis 0,5 Gew.-% Phosphor enthält, für den Zweck nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.
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