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Die Erfindung betrifft ein Sondermessinglegierungsprodukt sowie eine Verwendung eines solchen Sondermessinglegierungsproduktes.
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Sondermessinglegierungen eignen sich in besonderer Weise zum Herstellen von geschmiedeten Sondermessinglegierungsprodukten. Sondermessinglegierungsprodukte verfügen zudem in aller Regel über hinreichend hohe Festigkeitswerte, sodass sich derartige Legierungen zum Herstellen von Teilen eignen, die höheren Belastungen ausgesetzt sind. Beschrieben ist eine Sondermessinglegierung der in Rede stehenden Art beispielsweise in
WO 2006/058744 A1 . Die in diesem Dokument beschriebene Legierung wird zur Herstellung einer Ventilführung eingesetzt. Eingesetzt wird die in diesem Dokument offenbarte Legierung auch zum Herstellen von Synchronringen. Diese vorbekannte Legierung hat eine Zusammensetzung von 59 bis 73 Gew.-% Cu, 2,7–8,3 Gew.-% Mn, 1,5–6 Gew.-% Al, 0,2–4 Gew.-% Si, 0,2–3 Gew.-% Fe, max. 2 Gew.-% Pb, max. 2 Gew.-% Ni, max. 0,2 Gew.-% Sn sowie wahlweise wenigstens eines der Elemente V, Cr, Ti oder Zr, B, Sb, P, Cd oder Co mit jeweils geringen Anteilen mit einem Rest Zn. Das in diesem Stand der Technik beschriebene Gefüge weist eine α- und β-Mischkristallmatrix auf, bei der die α-Phase mit Anteilen von bis zu 80% feindispers verteilt ist. In einer β-mischkristallinen Grundmasse sind die α-Ausscheidungen nadel- und bandförmig eingebettet. Die Grundmasse aus β-Phase verleiht den aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsprodukten die gewünschten Festigkeitswerte. Regellos dispers verteilt angeordnete Mn-Fe-Silizide tragen zur Verschleißfestigkeit eines aus dieser Legierung hergestellten Produktes bei.
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Die in diesem Dokument beschriebene Legierung kann in zwei Legierungsgruppen unterteilt werden, und zwar eine Pb-haltige mit 0,5–1,5 Gew.-% Pb sowie eine Legierung mit einem geringeren Bleianteil von max. 0,5 Gew.-% Pb. Die erste Legierungsgruppe baut auf einen Cu-Gehalt von 70–73 Gew.-% bzw. 69,5 bis 71, 5 Gew.-% auf. Die bleiärmere Variante weist einen Cu-Anteil von 60–61,5 Gew.-% und einen geringeren Mn- sowie Al-Gehalt auf.
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Auch wenn die aus derartigen Legierungen hergestellten Sondermessinglegierungsprodukte im Allgemeinen den an sie gestellten Anforderungen genügen, wäre es wünschenswert, wenn deren Verschleiß weiter reduziert werden könnte. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Sondermessinglegierungsprodukt vorzuschlagen, welches nicht nur den an dieses gestellten Festigkeitsanforderungen genügt, sondern zudem gegenüber vorbekannten eine bessere Verschleißbeständigkeit aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Sondermessinglegierungsprodukt mit 62–68 Gew.-% Cu, 0,2–2,2 Gew.-% Fe, 5,5–9,0 Gew.-% Mn, 3,5–7,5 Gew.-% Al, 0,6–2,5 Gew.-% Si, max. 0,7 Gew.-% Sn, max. 0,7 Gew.-% Ni, max. 0,1 Gew.-% Pb, Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Sondermessinglegierungsprodukt einen Anteil an α-Phase zwischen 15 % und 40 % aufweist
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Von besonderem Vorteil bei diesem Sondermessinglegierungsprodukt ist die besondere Zusammensetzung der Legierung mit ihren sehr genau aufeinander abgestimmten Anteilen der beteiligten Legierungselemente. Dieses kombiniert mit einem Gefüge im Messinglegierungsprodukt, welches einen Anteil an α-Phase von 15–40 aufweist, wobei die α-Phase nicht lediglich feindispers verteilt, sondern größere Körner ausbildet, verleiht dem Sondermessinglegierungsprodukt überraschenderweise Eigenschaften, durch die die Verschleißbeständigkeit verbessert ist. Der Anteil an bezüglich der β-Phase relativ weicherer α-Phase verleiht dem Sondermessinglegierungsprodukt in gewissen Grenzen eine geometrische Anpassungsfähigkeit an Kontaktflächen, sollte das Sondermessinglegierungsprodukt für einen solchen Anwendungsfall vorgesehen sein. Dieses ist beispielsweise der Fall bei Verteilerplatten von Hydraulikaggregaten. Der Anteil weicherer α-Phase an dem Sondermessinglegierungsprodukt sorgt zudem dafür, dass Schmutzpartikel in der Oberfläche des Sondermessinglegierungsproduktes eingebettet werden können. Dieses ist beispielsweise bei Sondermessinglegierungsprodukten sinnvoll, die auf Gleitung oder Reibung beansprucht sind, wie beispielsweise Synchronringe, Buchsen oder Ventilführungen. Infolge der Einbettungsfähigkeit von Schmutzpartikeln, insbesondere auch von abrasiven Partikeln in der Oberfläche derartiger Sondermessinglegierungsprodukte tragen solche in der Ölumgebung bei einer solchen Anwendung enthaltene Schmutzpartikel nicht zu einer Abrasion und somit zu einem Verschleiß bei. Vielmehr werden diese durch Einbetten in die Oberfläche des Sondermessinglegierungsproduktes aus der Ölumgebung entfernt und somit bezüglich ihrer abrasiven Tätigkeit unschädlich gemacht. Dieses begründet beispielsweise bei Synchronringen, aber auch bei Ventilführungen oder Buchsen, deren verbesserte Verschleißbeständigkeit. Dieses ist unerwartet, da man zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bei derartigen Sondermessinglegierungsprodukten bislang auf eine höhere Härte und den Einbau eines möglichst hohen Anteils an verschleißminimierenden Siliziden gesetzt hat. Insofern war es überraschend, dass trotz Bereitstellens eines im Bereich der α-Phase weicheren Sondermessinglegierungsproduktes dennoch seine Verschleißfestigkeit verbessert ist. Dabei ist nicht unwesentlich, dass die α-Phase einen Anteil zwischen 15 und 40 % aufweist. Ist der Anteil der α-Phase geringer, ist die Verschleißbeständigkeit nicht hinreichend verbessert. Bei einem α-Phasenanteil von mehr als 40 % wird das Sondermessinglegierungsprodukt insgesamt zu weich, sodass sich dieses für bestimmte Anwendungen nicht mehr eignet. Besonders bevorzugt ist ein Anteil der α-Phase zwischen 20 und 35 %, insbesondere zwischen 25 und 30 %.
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Die vorgenannten Eigenschaften lassen sich weiter verbessern, wenn die Legierung, aus der das Sondermessinglegierungsprodukt hergestellt ist, folgende Zusammensetzung aufweist:
62–68 Gew.-% Cu,
0,2–2,2 Gew.-% Fe,
5,5–9,0 Gew.-% Mn,
3,5–7,5 Gew.-% Al,
0,6–2,5 Gew.-% Si,
max. 0,7 Gew.-% Sn,
max. 0,7 Gew.-% Ni,
max. 0,1 Gew.-% Pb,
Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Sondermessinglegierungsprodukt einen Anteil an α-Phase zwischen 15 % und 40 % aufweist.
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Eine weitere Steigerung lässt sich erreichen, wenn die Mn-, Al- und Si-Anteile noch etwas weiter eingeengt werden und die Legierung, aus der das Sondermessinglegierungsprodukt hergestellt ist, folgende Zusammensetzung aufweist:
62–68 Gew.-% Cu,
0,5–1,5 Gew.-% Fe,
7,0–9,0, insbesondere 7,2–8,5 Gew.-% Mn,
4,0–6,5 insbesondere 4,5–6,0 Gew.-% Al,
0,7–2,3, insbesondere 1,0–2,0 Gew.-% Si,
max. 0,5 Gew.-% Sn,
max. 0,5 Gew.-% Ni,
max. 0,1 Gew.-% Pb,
Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Sondermessinglegierungsprodukt einen Anteil an α-Phase zwischen 15 % und 40 % aufweist.
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Von Besonderheit bei den vorstehend beschriebenen Legierungen ist, dass der Anteil der α-Phase, der nach dem oder den warm durchgeführten Formgebungsschritten vorliegt, etwa Strangpressen und/oder Schmieden, durch eine in einem engeren Temperaturfenster zwischen 300°C und 450°C für 3 bis 10 Stunden durchgeführte Wärmebehan dlung im Gefüge des Legierungsproduktes signifikant angehoben und vor allem auf einen definierten Anteil gebracht werden kann. Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung in einem Temperaturfenster zwischen 400°C und 450°C für 8 –10 Stunden durchgeführt. Wird diese Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen, und zwar bei Temperaturen von mehr als 480°C durchgeführt, ist eine weitere nennenswerte Steigerung des Anteils der α-Phase nicht mehr zu beobachten. Vielmehr nimmt deren Anteil wieder ab. Bei niedrigeren Temperaturen bei Durchführung dieser Wärmebehandlung, und zwar zwischen 300°C und 400°C, lässt sich der g ewünschte Anteil der α-Phase im Gefüge des Sondermessinglegierungsproduktes zwar einstellen, jedoch wird hierfür eine längere Zeit für den Umwandlungsprozess benötigt. Aus diesem Grunde wird diese Warmbehandlung zum Ausbilden der α-Phase in den gewünschten Anteilen vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 450°C bei einer Dauer der Wärmeb ehandlung von 8 bis 10 Stunden durchgeführt. Das Ergebnis ist insofern von Interesse, da der Anteil der α-Phase nach einem ersten Warmumformschritt, typischerweise einem Strangpressschritt, durchgeführt bei etwa 650°C oder höher, zum Herstellen eines Vorschmiedeproduktes kleiner als 10% ist. Wird ein solches strangepresstes Vorschmiedeprodukt warm geschmiedet, wobei das Schmieden typischerweise bei einer Temperatur um etwa 500°C bis 600°C durchgeführt wird, weist das Sondermessingleg ierungsprodukt keine lichtmikroskopisch nachweisbare α-Phase mehr auf. Dieses bedeutet, dass der Anteil der α-Phase dann mit weniger als 1% am Aufbau des Gefüges beteiligt ist. Insofern war nicht zu erwarten, dass mit den vorbeschriebenen speziellen Sondermessinglegierungen durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung in dem genannten Temperaturfenster für die ebenfalls genannte Dauer der Anteil an α-Phasen sich in solch signifikanter Größenordnung erhöhen lässt, und zwar bis in den Bereich von etwa 40%. In einigen Fällen wird man einen α-Phasenanteil von etwa 40% nicht wünschen, da dieser für die eine oder andere Anwendung zu hoch ist. Die Ausbildung der α-Phase in dem beanspruchten Anteilsintervall lässt sich durch die Dauer der nachgeschalteten Wärmebehandlung einstellen. Wird die Wärmebehandlung bei einer bestimmten Wärmebehandlungstemperatur kürzer ausgeführt, wird der sich einstellende Anteil der α-Phase entsprechend geringer sein. Es wird nicht übersehen, dass sich auch ein gewisser, wenn auch geringer α-Phasenanteil im Zuge einer Warmumformung, beispielsweise einem Strangpressverfahren ausbilden kann. Allerdings lässt sich der auszubildende Anteil nicht, jedenfalls nicht in einem hinreichenden Maße kontrollieren, zumal der sich ausbildende Anteil deutlich unterhalb dem durch die Erfindung beanspruchten α-Phasenanteil liegt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand einzelner Untersuchungen näher beschrieben. Zu diesem Zweck wird auch auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen. Von diesen zeigen:
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1: Einen Querschnitt (oben) und einen Längsschnitt (unten) durch ein wärmeunbehandeltes Sondermessinglegierungsprodukt,
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2: einen Querschnitt (oben) und einen Längsschnitt (unten) durch eine bei einer ersten Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung des Sondermessinglegierungsproduktes,
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3: einen Querschnitt (oben) und einen Längsschnitt (unten) durch eine bei einer zweiten Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung des Sondermessinglegierungsproduktes,
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4: einen Querschnitt (oben) und einen Längsschnitt (unten) durch eine bei einer dritten Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung des Sondermessinglegierungsproduktes, und
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5: einen Querschnitt (oben) und einen Längsschnitt (unten) durch eine bei einer oberhalb des beanspruchten Temperaturfensters durchgeführten Wärmebehandlung des Sondermessinglegierungsproduktes.
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Für Untersuchungen wurden verschiedene Sondermessinglegierungsprodukte aus dem vorbeschriebenen Spektrum hergestellt. Beispielhaft ist nachstehend eine erste Ausführung erläutert. Dieses Sondermessinglegierungsprodukt weist folgende Zusammensetzung auf (sämtliche Angaben in Gew.-%):
| Cu | Zn | Fe | Mn | Al | Si |
| 64 | Rest | 0,9 | 7,7 | 4,7 | 1,6 |
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Aus dieser Legierung wurden Rohre als Halbzeuge stranggepresst, aus denen Ringe als Vorschmiedeprodukte hergestellt worden sind. Die Ringe sind in üblicher Weise zum Formen eines Synchronringes als Sondermessinglegierungsprodukt geschmiedet worden und anschließend zum Einstellen des gewünschten α-Phasenanteils einer Wärmebehandlung unterworfen worden. Die Wärmebehandlung wurde bei 400°C für 6 Stunden durchgeführt.
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Das stranggepresste Vorschmiedeprodukt weist einen Anteil an α-Phase von 9% auf. Der Anteil intermetallischer Phasen betrug am Pressanfang 10 % und am Pressende 11%. Die Härte nach Brinell (HBW 2,5/62,5) des stranggepressten Vorschmiedeproduktes wurde mit 218 gemessen. Das Strangpressverfahren wurde bei etwa 650°C durchgefü hrt. Aus dem Rohr geschnittene Ringe als Vorschmiedeprodukt wurden anschließend auf etwa 560°C erwärmt und zu Synchronringen geschmiedet. Der Anteil der α-Phase wurde durch diese Wärmbehandlung auf weniger als 1% reduziert. Anschließend wurde der Anteil der α-Phase eingestellt, da der Synchronring einen α-Phasenanteil von etwa 25 % aufweisen soll. Dieses Einstellen des α-Phasenanteils wurde im Wege einer nachfolgend durchgeführte Wärmebehandlung bei 420°C für 10 Stunden und anschl ießender Luftabkühlung eingestellt und somit signifikant gegenüber dem vor dieser Wärmebehandlung vorhandenen α-Phasenanteil erhöht. Aufgrund des besonderen α-Phasenanteils dieses beispielhaft als Synchronring herge-stellten Sondermessinglegierungsproduktes weist dieses vor allem eine zur Verschleißminimierung vorgesehene Einbettfähigkeit von Fremdpartikeln auf.
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An dem aus der vorgennannte Legierung hergestellten stranggepressten Halbzeug wurden zum Darstellen der Erfindung Glühversuche durchgeführt, die sehr anschaulich anhand der sich bei unterschiedlichen Wärmebehandlungstemperaturen das und/oder Behandlungsdauern sich ändernde Gefüge in Bezug auf den Anteil der α-Phase zeigen. Dieses kann in einfacher Weise anhand der sich ändernden Härte nachvollzogen werden. Das Ausbilden der α-Phase führt zu einer geringfügigen Reduzierung der Härte. In der nachfolgenden Tabelle ist das Ergebnis dieser Untersuchungsreihe wiedergegeben:
| Probe | Härte
Brinell
[HBW 2,5/62,5] längs | Härte
Brinell
[HBW 2,5/62,5] quer |
| Ungeglüht | 196 | 203 |
| 380°C/10h | 193 | 198 |
| 450°C/3h | 186 | 196 |
| 450°C/10h | 183 | 194 |
| 550°C/10h | 206 | 205 |
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Aus dieser Untersuchungsreihe wird deutlich, dass die Härte der jeweiligen Probe mit zunehmender Glühtemperatur bis 450°C herabgesetzt wird. Dieses ist dem sich im Zuge der Wärmebehandlung ausbildenden α-Phasenanteil geschuldet. Gemäß dieser Untersuchungsreihe bildete sich der größte α-Phasenanteil (etwa 35 % bis 40%) bei einer Wärmebehandlung bei 450°C für 10 Stunden aus. Von Interesse is t, dass bei höheren Temperaturen der α-Phasenanteil wieder abnimmt bzw. die Umwandlung nicht in der gewünschten Weise abläuft, was sich in dieser Untersuchungsreihe durch die signifikante höhere Härte dieser Probe bemerkbar macht.
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Die Figurenfolge der 1 bis 5 zeigt die Ausbildung der α-Phase im Gefüge der untersuchten Proben. Die Probe der 1 wurde keiner der Formgebung nachgeschalteten Wärmebehandlung unterworfen. Die Probe der 2 wurde einer Warmbehandlung von 380°C für 10 Stunden unterworfen. Die Probe der 3 einer Warmbehandlung von 450°C für 3 Stunden, diejenige der Probe der 4 einer Wärmebehandlung von 450°C für 10 Stunden und die Probe der 5 eine r Wärmebehandlung bei 550°C für 10 Stunden unterworfen.
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Die Ausbildung der α-Phase ist bei den Proben, die eine Wärmebehandlung von 380°C bzw. 400°C für die angegebenen Zeitd auern unterworfen worden sind, deutlich zu erkennen. In der mit einer Wärmebehandlung von 550°C unterworfenen Probe ist keine α-Phase mehr erkennbar. Somit sind diese Beobachtungen konsistent mit den vorstehenden Beobachtungen zur unterschiedlichen Härte dieser Proben. Die stäbchenförmige α-Phase ist homogen innerhalb der Schliffebenen verteilt angeordnet, was sich positiv auf die vorbeschriebene Einbettfähigkeit an Kontaktflächen bemerkbar macht.
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In einer weiteren Probe derselben Zusammensetzung wurde eine Verteilerplatte für eine hydraulische Anwendung hergestellt, und zwar durch Schmieden einer stranggepressten Scheibe als Vorschmiedeprodukt. Das Schmieden dieses Sondermessinglegierungsproduktes erfolgte ebenfalls bei etwa 550°C. Nach dem Schmieden wurde die Vertei lerplatte einer Wärmebehandlung bei ebenfalls 420°C für 10 Stunden und anschließender Luftabkühlung unterworfen. Die Brinell-Härte (HBW 2,5/62,5) wurde bei diesem Sondermessinglegierungsproduktes mit 218 gemessen. Dieses Sondermessinglegierungsprodukt wurde in Bezug auf seine Festigkeitswerte untersucht. Diese führten zu folgendem Ergebnis:
| Rm | 562 N/mm2 |
| Rp0,2 | 439 N/mm2 |
| A | 2,3 % |
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In sämtlichen Proben sind dem Umformgefüge folgend Silizide eingelagert. Daher ist bei diesen Sondermessinglegierungsprodukten ein hoher Verschleißwiderstand an der oder den Kontaktflächen vorhanden. Die in den Sondermessinglegierungsprodukten deutlich ausgeprägte α-Phase sorgt für die gewünschte lokale Duktilität und das damit einhergehende Einbettvermögen von Fremdpartikeln. Die gleichmäßige Verteilung der Silizide und die ebenfalls gleichmäßige Verteilung der α-Phasenanteile im Gefüge verleihen neben einer relativ hohen Härte diesen Sondermessinglegierungsprodukten Eigenschaften, damit diese für unterschiedlichste Anwendungen einsetzbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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