DEP0053822DA - Kupferlegierungen - Google Patents

Description

Zinnhaltige Kupferlegierungen mit einem Zinngehalt bis etwa 20% Zinn sind als Zinnbronzen, Rotguß und Sonderbronzen bekannt und werden in der Technik zu den verschiedensten Zwecken benutzt. So bestehen beispielsweise Spurlager, Verschleißplatten, Schieberspiegel und Glocken aus Gußbronze 20, also aus einer Bronze mit 20% Zinn; hoch beanspruchte Lagerschalen, Räder und hydraulische Apparate für Hochdruck bestehen aus Gußbronze 14, Teile zur allgemeinen Verwendung im Maschinen-, Armaturen- und Apparatebau aus Gußbronze 10, Drähte, Bleche und Bänder aus Walzbronze 6. Die als Rotguß 10 bekannte Kupferlegierung mit 10% Zinn und 4% Zink findet allgemeine Verwendung im Maschinen-, Armaturen- und Apparatebau, sowie für Rohrleitungsteile. Rotguß 9 bestehend aus 85% Kupfer, 9% Zinn und 6% Zink wird als Lager für Eisenbahnzwecke und als Werkstoff für Armaturen benutzt. Aus Rotguß 8, 5 und 4, also aus Legierungen mit einem Zusatz von 3 bzw. 1% Blei, werden blank bearbeitete Maschinenarmaturen, Rohrflansche und andere hart zu lötende Teile hergestellt. Bleizinnbronzen mit einem Gehalt an 86% Kupfer, 10% Zinn und 4% Blei oder mit einem Gehalt an 80% Kupfer, 8% Zinn und 12% Blei werden als Sonderbronzen für Lager von Warmwalzwerken, elektrischen Maschinen bzw. für Lager mit hohem Flächendruck verwendet, wie sie bei Kaltwalzwerken auftreten.

Wegen des Zinnmangels können nun diese verschiedensten Armaturen und Geräteteile nicht mehr in dem erforderlichen Maß hergestellt werden. Die Technik hat sich daher schon lange darum bemüht, Austauschwerkstoffe zu finden, welche die gleichen Eigenschaften wie die zinnhaltigen Bronzen und Rotgußlegierungen haben.

Als Austauschwerkstoffe für diese Zwecke hat man bisher Sondermessinge SoMs 70 mit 68 bis 71% Kupfer, (0,5 bis 3,7% Al + Mn + Fe), 0,3 bis 0,7% Silizium, bis 0,5% Nickel, Rest Zink für

Bleche und Bänder verwendet.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Werkstoffe aus zinnfreien Kupferlegierungen zu schaffen, welche die hohe Festigkeit und Härte der Guß- und Sonderbronzen, sowie von Rotguß haben.

Sie geht davon aus, daß sich die Härte und Festigkeit von Legierungen mit Kupfer, Eisen und Phosphor, die härter und fester als Kupfer sind, durch Abschrecken und Anlassen vergüten, also beträchtlich steigern lassen. Sie ergibt eine Eisen-Phosphor-Kupferlegierung, die 2,45% Eisen und 0,45% Phosphor enthält, nach heißem Walzen und Ausglühen eine Brinellhärte von etwa 67 bzw. 70 und nach dem Kaltwalzen eine Härte von etwa 100.

Es ist ferner bekannt, daß sich Eisen-Kupfer-Legierungen mit einem Zusatz an Phosphor, der höher ist als der zur Bildung von Eisenphosphid (Fe(sub)3P) erforderliche, mit Sicherheit vergüten lassen. So hat man bei einer Legierung von etwa 0,5% Eisen und 0,25% Phosphor nach dem Vergüten des Gußstücks eine Festigkeit von 28 kg/qmm und eine Härte von etwa 72 erhalten. Es ist aber bisher nicht bekannt, daß sich die Härte und Festigkeit dieser zinnfreien Legierungen noch durch den Zusatz von geeigneten Stoffen ohne Beeinträchtigung der Gießfähigkeit steigern lassen.

Die ERfindung löst die Aufgabe mit Legierungen folgender Zusammensetzung:

0,5 bis 12% Eisenphosphid

0,01 bis 0,15% Phosphor

0,2 bis 8% eines oder mehrerer der Elemente Silizium, Mangan, Zink oder Aluminium

Rest Kupfer

Es werden also den bekannten Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierungen solche Stoffe wie Silizium und/oder Mangan usw. zugesetzt, welche die Festigkeit und Härte der Ausgangslegierung erhöhen, ohne dadurch deren Gießfähigkeit wesentlich zu beeinträchtigen. Diese Legierungen sind als Gußlegierungen besonders geeignet, wenn es sich darum handelt, eine hohe Festigkeit und Härte zu erzielen. So ergibt eine Gußlegierung mit

4% Eisenphosphid

0,5% Phosphor

8% Silizium

Rest Kupfer

neben hervorragender Dünnflüssigkeit eine Härte von 180 Brinell. Die Legierung ist also beispielsweise zum Gießen von Glocken vorzüglich geeignet. Die Eigenschaft der Vergütbarkeit läßt den Werkstoff den gewünschten Bedingungen durch die Vergütungsbehandlung anpassen.

Wird der Gehalt der oben angegebenen Legierungskomponenten in den angegebenen Legierungen ermäßigt, so sind die Legierungen als Walzlegierungen geeignet. Diese Legierungen liegen im Bereich folgender Zusammensetzung:

0,5 bis 8% Eisenphosphid

0 bis 0,15% Phosphor

bis 7% eines oder mehrerer der Elemente Silizium, Mangan, Zink oder Aluminium

Rest Kupfer

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken sind als Walzlegierungen auch die vergütbaren Eisenphosphid-Kupfer-Legierungen ohne den Zusatz der die Härte steigernden Stoffe wie Silizium usw. geeignet, die im Gußzustand eine große Härte, insbesondere eine Härte über 75 haben. Denn sie lassen sich einwandfrei warm und dann kalt verformen. Durch Anlassen nach der Kaltverformung kann die Härte auf gewünschte Härtegrade eingestellt werden, wie das nachstehende Ausführungsbeispiel zeigt:

Als Austauschwerkstoff für WBz 6 wurde folgende Legierung hergestellt:

4% Eisenphosphid

0,1% Phosphor

Rest Kupfer

Sie hat im Gußzustand eine Brinellhärte von 96. Diese Legierung läßt sich warm und kalt pressen und ergab folgende Härten in Abhängigkeit von der Kaltbearbeitung:

Will man höhere Härten erzielen, so ist eine entsprechende Menge an Silizium einzulegieren. So erbrachte eine Legierung:

4% Eisenphosphid

3% Silizium

Rest Kupfer

eine Härte von 120 Brinell im Guß- und ausgeglühten Zustand.

Durch Kaltbearbeitung steigt die Härte etwa auf das Doppelte. Damit erreicht man praktisch alle jene Eigenschaften, die Festigkeit und Federqualität, wie sie die Zinnbronzen WBz 6 bis 9 aufweisen.

Legierungen, wie z.B. die der Zusammensetzung 2% Eisenphosphid, 0,1% Phosphor, Rest Kupfer, erzielen bereits im ungeglühten Zustand eine Härte von 86 Brinell. Durch Anlassen auf 440° läßt sich die Härte auf 98 Brinell steigern. Die Legierungen sind also wie die normalen Zinnbronzen in etwa gleicher Weise durch Abschrecken und Anlassen vergütungsfähig, wobei Brinellanstiege bis zu 25 Einheiten durch Vergütungen erreicht wurden.

Auch kann die Härte der siliziumfreien Legierungen durch Zugabe von freiem Phosphor von 0,5% um weitere 10% gesteigert werden. Die Walzlegierungen sind auch als Münzbronze-Legierungen verwendbar.

Die Sonderbronzen für Lager liegen im Bereich folgender Zusammensetzung:

0,5 bis 16% Eisenphosphid

0,2 bis 8% Silizium

0,5 bis 12% Blei

0,01 bis 0,5% Phosphor

Rest Kupfer

Beispiel: 5% Eisenphosphid, 2,5% Blei, 0,3% Phosphor, Rest Kupfer, als Lager für elektrische Maschinen.

In geeigneten Schmelzöfen lassen sich die Legierungen leicht herstellen. Der Zusatz an Eisenphosphid erfolgt am besten durch entsprechende Einlegierungen eines abgestimmten Eisen-Phosphor-Pulver-Gemisches. Die Schmelzen sind leicht und sauber vergießbar, da sie sehr dünnflüssig sind.

So kann man starke Drahtbarren (100 mm) für das Drahtwarmwalzwerk in normalen oder Kühlkokillen erstellen oder noch besser im Stranggußverfahren gießen. Im Walzwerk werden die Drahtbarren bei Temperaturen von 800 bis 950°, vornehmlich bei

870°, direkt auf 6 mm verwalzt. Desgleichen sind die Legierungen auf der Strangpresse warm zu Stangen und Profilen, z.B. zur Herstellung von Lagerschalen, verarbeitbar.

Der Korrosionswiderstand der siliziumfreien Legierungen ist fast so groß, wie der Korrosionswiderstand der WBz 6-Bronze. Die siliziumhaltigen Legierungen zeigen gegenüber Säuren einen noch höheren Widerstand.

Diese Legierungen, insbesondere Walzlegierung, bieten gegenüber den zinnhaltigen Bronzelegierungen des DIN-Blattes 1705 folgende Vorteile:

1. Die zinnfreien Legierungen sind sehr preiswert.

2. Die Walzlegierungen können war verarbeitet werden (die zinnhaltigen Legierungen gestatten eine Warmverformung nicht).

3. Die Gefügeausbildung der Legierungen und die Vergütbarkeit ist den Zinnbronzen praktisch identisch, so daß durch Vergütungen ebenfalls Spitzenwerte für die Federqualitäten erzielt werden können.

4. Bei den Zinnlegierungen müssen die Abfälle entsprechend ihren Zusammensetzungen getrennt gelagert werden, um eine spätere Wiederaufarbeitung rentabel durchzuführen. Die Rückstände der zinnfreien Legierungen lassen sich aber leicht durch Einschmelzen im Raffinierofen in reinstes Kupfer zurückverwandeln. Eine Trennung der einzelnen Sorten entfällt.

5. Die Knetlegierungen sind für den Ersatz von Phosphorbronze-Webedrähten, Antennendrähten, Siebdrähten, Federn, Gongstäbe, Achsen für Wassermesser, Druckknopffedern, Brillenstangen und Einlagefedern, Bürstendrähte, Bandagen, Metallschläuche, Schalterfedern etc. besonders geeignet.

Claims (6)

1. Kupferlegierungen, insbesondere Gußlegierungen, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

0,5 bis 12% Eisenphosphid

0,01 bis 0,15% Phosphor

0,2 bis 8% eines oder mehrerer der Elemente Silizium, Mangan, Zink oder Aluminium

Rest Kupfer

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, insbesondere zum Glockenguß, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

4% Eisenphosphid

0,01 bis 0,5% Phosphor

0,2 bis 8% eines oder mehrerer der Elemente Silizium, Mangan, Zink oder Aluminium

Rest Kupfer

3. Kupferlegierungen nach Anspruch 1, insbesondere Walzlegierungen, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

0,5 bis 8% Eisenphosphid

0,01 bis 0,15% Phosphor

0,2 bis 8% Silizium

Rest Kupfer

4. Kupferlegierungen, insbesondere für Lager, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

0,5 bis 16% Eisenphosphid

0,2 bis 8% Silizium

0,5 bis 12% Blei

0,01 bis 0,5% Phosphor

Rest Kupfer

5. Verwendung von Werkstücken aus Legierungen nach Anspruch 1 bis 4, die gegebenenfalls warm und kalt verformt und dann vergütet sind, aus Austauschstoffe für zinnhaltige Kupferlegierungen.

6. Verwendung von Legierungen aus

0,2 bis 8% Silizium

0,5 bis 8% Eisenphosphid

0,01 bis 0,15% Phosphor

Rest Kupfer

als Werkstoff zur Herstellung von warm und kalt verformten Werkstücken.