EP1063310A1 - Use of a tin rich copper-tin-iron alloy - Google Patents

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EP1063310A1
EP1063310A1 EP00111778A EP00111778A EP1063310A1 EP 1063310 A1 EP1063310 A1 EP 1063310A1 EP 00111778 A EP00111778 A EP 00111778A EP 00111778 A EP00111778 A EP 00111778A EP 1063310 A1 EP1063310 A1 EP 1063310A1
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EP
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tin
copper alloy
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iron
alloy according
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EP00111778A
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Andreas Dr. Bögel
Stephan Dr. Hansmann
Uwe Dr. Hofmann
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the use of a Cu-Sn-Fe alloy for mechanical stressed components of machine or vehicle construction.
  • the Cu-Sn-Fe alloy consists of Sn 12 - 20 wt .-%, Fe 0.2 - 5.0 wt .-%, balance Cu and the usual Impurities.
  • the alloy is cooled down sufficiently quickly from the molten state at room temperature in one Get structural state that the preform available for the semi-finished product (Cast strip, cast block, cast bolt) is technically free of coarse, brittle phases and therefore in a special way for the production of semi-finished products Bands, profiles, wires, hollow profiles or pipes - suitable for kneading.
  • This Semi-finished products are ideal for the production of various mechanical Functional parts of precision engineering, vehicle or general mechanical engineering. Because of their chemical composition and manufacturing method draws the above Alloy high mechanical strength or high wear resistance with excellent ductility. She also has one good corrosion resistance and thermal conductivity.
  • CuSn materials are because of their high mechanical strength, their large Resistance to sliding stress or wear and their corrosion resistance for various mechanical components of the general Mechanical engineering used.
  • CuSn wrought alloys with typically 8% by weight Sn are very easy to form and are therefore also suitable for the production of complex ones Functional parts.
  • Sn contents are above 10% by weight.
  • the cast bronze has the required strength, but it is also bad malleable.
  • these phases can also be followed by a thermal aftertreatment cannot be removed without pores or imperfections in the material remain, which in turn affect the deformation.
  • the material is said to have the chemical and mechanical properties of the cast bronze combine with the processing properties of the kneading materials, which is why the adjustment of the cold deformability and at the same time securing a high mechanical strength and hardness is necessary.
  • the material is a tin-rich CuSn alloy with about 12-20% by weight Sn, the rest Cu.
  • the high Sn content ensures the strength of the material.
  • Spray compacting is a suitable method for shaping this alloy or tape casting .
  • the material cools so quickly from the molten state that the segregation that is customary in castings is suppressed.
  • the primary structure of this alloy is therefore free of macroscopic segregation at room temperature .
  • the preforms produced with these processes can be shaped hot or cold.
  • the material so produced is mainly due to its excellent mechanical Properties versatile in the field of mechanical engineering. Yet some shortcomings can be identified.
  • the process of master shaping is difficult for the following reasons: As with conventional, comparatively low tin wrought wrought alloys also in the present case the need to deoxidize the melt. At The conventional alloys are therefore more oxygen-sensitive to the melt Elements such as B. phosphorus added. These additions are usually like this selected that in addition to melt deoxidation also the material properties (e.g. strength) can be influenced favorably. Because of the high affinity for oxygen the added elements tend to burn off when they melt and pour and slagging. As a result, complex process control is required for compliance of defined concentrations necessary, generally affect the oxides The deoxidizer in the melt also sensitive to the melt viscosity and thus the procedural boundary conditions of the primary molding process such as e.g. of spray compacting. Ideally, therefore, a vacuum oven comes for the Melting process used so that oxidation of the additives is largely prevented can be. However, the required process engineering is not always Expedient and economical.
  • Oxides from admixtures with an affinity for oxygen can also be used in hot forming of the tin-rich CuSn alloys. They deteriorate the surface quality of the material to be formed and lead to tool contamination and consequently to a shorter tool life. When cutting or These oxides are also undesirable in the material volume because they are due to promote increased tool wear due to their hardness.
  • the object thus achieved is achieved by the present invention in such a way solved that for mechanical components of machine or vehicle construction Alloy is used which, in addition to copper, has a tin content of 12 to 20% Sn and contains an iron content of 0.2 to 5% Fe.
  • Alloy which, in addition to copper, has a tin content of 12 to 20% Sn and contains an iron content of 0.2 to 5% Fe.
  • the alloy particularly achieves Fe and Sn contents good mechanical properties. On the one hand, they are expressed in a high degree of firmness or hardness, in a high creep or softening resistance and in a high wear resistance. On the other hand, one is sufficient for the materials to determine great toughness due to a related shape change Cold forming of more than 20% possible.
  • Sn also ensures the corrosion resistance of the material.
  • the Sn content should not exceed 20% because then - even with an unconventional casting process - The increased occurrence of brittle phases cannot be prevented.
  • iron can be wholly or partly be replaced by cobalt.
  • the setting of certain cutting properties is due to additives made of lead or graphite up to 3% by volume.
  • these additives ensure improved emergency running properties in components subject to friction or sliding.
  • the Levels have to be limited because lead or graphite additives are disadvantageous affect the forming.
  • aluminum can contain up to 2% by weight. be added. Higher levels are not useful as they are surface processing or impair the joining of the material.
  • phosphorus can be used to deoxidize the melt.
  • a significant one Effect occurs from 0.01% P.
  • the structure of the phosphorus should be matched to the iron concentration, the Fe content / P content> 2.
  • P contents above 0.5% by weight should be avoided because thereby reducing the ductility of the material on the one hand and in Loose layers of heat adhere to the heat, particularly during hot forming to disturb.
  • the invention is illustrated by the following example.
  • the structure in the sprayed state was uniform and metallographically free from Segregations. After the bolt had been machined, it was hot-worked by extrusion into a rod with a diameter of 20 mm. The temperature the material was 650 ° C. The bar stock was straightened.
  • the material was in the soft state after hot forming.
  • the bars were pickled for surface leveling.
  • the further processing was carried out using cold drawing processes to increase the strength properties.
  • the alloy according to the invention clearly achieves by using 0.7% by weight of Fe better mechanical properties than the Fe-free variant and is therefore the known tin arms are also more suitable for mechanically stressed components CuSn wrought alloys.
  • the ductility parameters are for both materials similarly, from which it can be concluded that Fe additions are suitable for the formation of To make pores and embrittling oxide lines more difficult during the primary shaping. This was not to be expected because of this effect of iron in a CuSn alloy was not known.
  • the strength parameters clearly exceed those of a conventionally shaped tin bronze with 8% by weight of Sn , which was similarly shaped and heat treated. This leads to the conclusion that the tin-rich alloys have significantly better mechanical properties at high temperatures (ie softening resistance, relaxation resistance, creep or creep resistance) than the conventional CuSn wrought alloys.
  • the alloy according to the invention is therefore also suitable for use at elevated temperatures.

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Abstract

Use of a copper-based alloy containing (in wt.%) 12-20 tin, 0.2-5 iron and a balance of copper for the manufacture of components of vehicles and general machines is new.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Cu-Sn-Fe-Legierung für mechanisch beanspruchte Bauteile des Maschinen- oder Fahrzeugsbaus. Die Cu-Sn-Fe-Legierung besteht aus Sn 12 - 20 Gew.-%, Fe 0,2 - 5,0 Gew.-%, Rest Cu und den üblichen Verunreinigungen. Die Legierung wird durch eine hinreichend schnelle Abkühlung 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 mechanischer Funktionsteile der Feinmechanik, des Fahrzeug- oder des allgemeinen Maschinenbaus. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der Herstellungsweise 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.The invention relates to the use of a Cu-Sn-Fe alloy for mechanical stressed components of machine or vehicle construction. The Cu-Sn-Fe alloy consists of Sn 12 - 20 wt .-%, Fe 0.2 - 5.0 wt .-%, balance Cu and the usual Impurities. The alloy is cooled down sufficiently quickly from the molten state at room temperature in one Get structural state that the preform available for the semi-finished product (Cast strip, cast block, cast bolt) is technically free of coarse, brittle phases and therefore in a special way for the production of semi-finished products Bands, profiles, wires, hollow profiles or pipes - suitable for kneading. This Semi-finished products are ideal for the production of various mechanical Functional parts of precision engineering, vehicle or general mechanical engineering. Because of their chemical composition and manufacturing method draws the above Alloy high mechanical strength or high wear resistance with excellent ductility. She also has one good corrosion resistance and thermal conductivity.

CuSn-Werkstoffe werden wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihres großen Widerstandes gegen Gleitbeanspruchung bzw. Verschleiß und ihrer Korrosionsbeständigkeit 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 komplexer 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-Gußlegierungen 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 solchen Gußbronze verantwortlich, die bei den gängigen Gießverfahren während der Erstarrung entstehen. Diese Phasen können auch durch eine thermische Nachbehandlung nicht entfernt werden, ohne daß Poren oder Ungänzen im Werkstoff zurückbleiben, welche wiederum die Umformung beeinträchtigen.CuSn materials are because of their high mechanical strength, their large Resistance to sliding stress or wear and their corrosion resistance for various mechanical components of the general Mechanical engineering used. CuSn wrought alloys with typically 8% by weight Sn are very easy to form and are therefore also suitable for the production of complex ones Functional parts. For example, in plain bearings and gears, as springs and for parts exposed to sea water such as chains, fittings, etc. used. For components that are subjected to very high mechanical loads are, for example for gear wheels, CuSn casting alloys are preferred with Sn contents above 10% by weight. Reach through the increased tin content the cast bronze has the required strength, but it is also bad malleable. For this there are essentially brittle phases in the primary structure of such Cast bronze responsible for the common casting process during the Torpor arise. These phases can also be followed by a thermal aftertreatment cannot be removed without pores or imperfections in the material remain, which in turn affect the deformation.

Für mechanisch beanspruchte Bauteile des allgemeinen Maschinen- oder Fahrzeugbaus besteht also der Wunsch nach einem Werkstoff, der den Gegensatz zwischen 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 besonders die Einstellung der Kaltverformbarkeit und gleichzeitige Sicherung einer hohen mechanischen Festigkeit und Härte notwendig ist. For mechanically stressed components of general machine or vehicle construction So there is a desire for a material that is the contrast between the CuSn kneading materials and the CuSn casting materials overcome: The The material is said to have the chemical and mechanical properties of the cast bronze combine with the processing properties of the kneading materials, which is why the adjustment of the cold deformability and at the same time securing a high mechanical strength and hardness is necessary.

In jüngster Vergangenheit wurde ein Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorgestellt, mit denen die Lösung der Aufgabe prinzipiell möglich sein sollte. 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.In the recent past, a material and a method for its production have been presented with which the solution of the task should be possible in principle. The material is a tin-rich CuSn alloy with about 12-20% by weight Sn, the rest Cu. The high Sn content ensures the strength of the material.

Geeignete Verfahren zum Urformen dieser Legierung sind das Sprühkompaktieren oder das Bandgießen. Der Werkstoff kühlt dabei so schnell aus dem schmelzflüssigen Zustand ab, daß die bei Gußstücken übliche Seigerung unterdrückt wird. Das Primärgefüge dieser Legierung ist demzufolge bei Raumtemperatur frei von makroskopischen Seigerungen. Die mit diesen Verfahren hergestellten Vorformen können hervorragend warm oder kalt umgeformt werden.Spray compacting is a suitable method for shaping this alloy or tape casting . The material cools so quickly from the molten state that the segregation that is customary in castings is suppressed. The primary structure of this alloy is therefore free of macroscopic segregation at room temperature . The preforms produced with these processes can be shaped hot or cold.

Der so hergestellte Werkstoff ist vor allem aufgrund seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften vielseitig im Bereich des Maschinenbaus einsetzbar. Dennoch können einige Mängel festgestellt werden.The material so produced is mainly due to its excellent mechanical Properties versatile in the field of mechanical engineering. Yet some shortcomings can be identified.

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 Sauerstoff neigen die zugesetzten Elemente beim Erschmelzen und Gießen zum Abbrennen 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 unterbunden werden kann. Nicht immer ist jedoch der erforderliche prozeßtechnische Aufwand zweckmäßig und wirtschaftlich.The process of master shaping is difficult for the following reasons: As with conventional, comparatively low tin wrought wrought alloys also in the present case the need to deoxidize the melt. At The conventional alloys are therefore more oxygen-sensitive to the melt Elements such as B. phosphorus added. These additions are usually like this selected that in addition to melt deoxidation also the material properties (e.g. strength) can be influenced favorably. Because of the high affinity for oxygen the added elements tend to burn off when they melt and pour and slagging. As a result, complex process control is required for compliance of defined concentrations necessary, generally affect the oxides The deoxidizer in the melt also sensitive to the melt viscosity and thus the procedural boundary conditions of the primary molding process such as e.g. of spray compacting. Ideally, therefore, a vacuum oven comes for the Melting process used so that oxidation of the additives is largely prevented can be. However, the required process engineering is not always Expedient and economical.

Oxide von sauerstoffaffinen Beimengungen können zudem auch bei der Warmumformung der zinnreichen CuSn-Legierungen entstehen. Sie verschlechtern die Oberflächenqualität 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 aufgrund ihrer Härte einen erhöhten Werkzeugverschleiß fördern.Oxides from admixtures with an affinity for oxygen can also be used in hot forming of the tin-rich CuSn alloys. They deteriorate the surface quality of the material to be formed and lead to tool contamination and consequently to a shorter tool life. When cutting or These oxides are also undesirable in the material volume because they are due to promote increased tool wear due to their hardness.

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.So there is an urge for materials, on the one hand, with regard to Strength, formability and corrosion resistance of those described above CuSn alloy at least equal, but on the other hand a simplified one Allow handling during manufacture and processing.

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 unterbunden wird. Überraschend ist nun, daß beim Gießen der erfindungsgemäßen Legierung mit einem derartigen Verfahren auf die aufwendige Vakuum- oder Schutzgastechnik weitgehend verzichtet werden kann.The object thus achieved is achieved by the present invention in such a way solved that for mechanical components of machine or vehicle construction Alloy is used which, in addition to copper, has a tin content of 12 to 20% Sn and contains an iron content of 0.2 to 5% Fe. To ensure good formability should achieve the master shaping of the alloy again with a casting process in which the formation of brittle phases is prevented by a high cooling rate becomes. It is surprising that when casting the alloy according to the invention with such a method on the complex vacuum or protective gas technology can largely be dispensed with.

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 Festigkeit bzw. Härte, in einer hohen Kriech- bzw. Erweichungsbeständigkeit und in einem hohen Verschleißwiderstand. Andererseits ist bei den Werkstoffen eine ausreichend große Zähigkeit festzustellen, die eine bezogene Formänderung durch Kaltumformung von mehr als 20 % ermöglicht.By setting the above The alloy particularly achieves Fe and Sn contents good mechanical properties. On the one hand, they are expressed in a high degree of firmness or hardness, in a high creep or softening resistance and in a high wear resistance. On the other hand, one is sufficient for the materials to determine great toughness due to a related shape change Cold forming of more than 20% possible.

Sn sorgt überdies für die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs. Der Sn-Gehalt sollte 20 % nicht überschreiten, da dann - auch mit einem unkonventionellen Gießverfahren - das verstärkte Auftreten spröder Phasen nicht verhindert werden kann.Sn also ensures the corrosion resistance of the material. The Sn content should not exceed 20% because then - even with an unconventional casting process - The increased occurrence of brittle phases cannot be prevented.

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 konventionellen CuSn-Legierungen üblicherweise durch P-Zusätze erfolgt, nicht notwendig. Daneben erschwert Eisen offenbar die Bildung von hartnäckigen Zunderschichten 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.When setting the above Fe contents have been found to be suitable for the above-mentioned. Use relevant material properties of the alloy according to the invention that of the known CuSn alloys. Surprisingly, the Fe contents indicated an additional melt deoxidation, which in the conventional CuSn alloys are usually made using P additives, not necessary. In addition, iron apparently complicates the formation of stubborn layers of scale on the surfaces of heated or hot-formed components. For Achievement of these effects as well as the formation of a homogeneous, even A minimum Fe content is necessary. Large iron concentrations should can be avoided since agglomerations of Fe particles occur in the structure the cutting or machining of the material complicate.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.Preferred embodiments of the invention are the subject of claims 2 to 13.

Aufgrund ihrer metallkundlichen Verwandtschaft kann Eisen ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt werden.Due to their metal-related relationship, iron can be wholly or partly be replaced by cobalt.

Zusätze von Mangan und/oder Zink bis zu 5 Gew.-% sind möglich, um den Metallwert der Legierung zu reduzieren.Additions of manganese and / or zinc up to 5 wt .-% are possible to the metal value to reduce the alloy.

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.The setting of certain cutting properties is due to additives made of lead or graphite up to 3% by volume. In addition, these additives ensure improved emergency running properties in components subject to friction or sliding. The Levels have to be limited because lead or graphite additives are disadvantageous affect the forming.

Um die Festigkeitskennwerte weiter zu steigern, kann Aluminium bis zu 2 Gew.-% zugesetzt werden. Höhere Gehalte sind nicht sinnvoll, da sie eine Oberflächenbearbeitung oder das Fügen des Werkstoffs beeinträchtigen.In order to further increase the strength values, aluminum can contain up to 2% by weight. be added. Higher levels are not useful as they are surface processing or impair the joining of the material.

Nickel-Zusätze bis zu 5 Gew.-% verbessern die Festigkeitseigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit. Höhere Gehalte fördern Aushärtungsmechanismen, wodurch die weitere Verarbeitung der Legierung erschwert wird.Additions of nickel up to 5% by weight improve the strength properties and the Corrosion resistance. Higher levels promote curing mechanisms, which means the further processing of the alloy is difficult.

Je nach der Art bzw. Arbeitsweise der zur Verfügung stehenden Fertigungseinrichtung kann Phosphor zur Desoxidation der Schmelze eingesetzt werden. Ein signifikanter 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-Gehalt/P-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 Warmumformung stören.Depending on the type or mode of operation of the available manufacturing facility phosphorus can be used to deoxidize the melt. A significant one Effect occurs from 0.01% P. To avoid coarse iron phosphide particles the structure of the phosphorus should be matched to the iron concentration, the Fe content / P content> 2. P contents above 0.5% by weight should be avoided because thereby reducing the ductility of the material on the one hand and in Loose layers of heat adhere to the heat, particularly during hot forming to disturb.

Die Erfindung wird an nachfolgendem Beispiel erläutert.The invention is illustrated by the following example.

Beispiel:Example:

In Schneckenradgetrieben wie auch bei hochbelasteten Gleitelementen treten Gleitbeanspruchungen zwischen Werkstoffpaarungen unter sehr hohen Flächenpressungen auf. Gefordert sind Werkstoffe sehr hoher Festigkeit und ausreichender tribologischer Eigenschaften. Für diese Anwendungen ist die erfindungsgemäße CuSnFe-Legierung in besonderer Weise geeignet.Sliding stresses occur in worm gear transmissions as well as with highly loaded sliding elements between material pairings under very high surface pressures on. Materials with very high strength and sufficient tribological properties are required Characteristics. The CuSnFe alloy according to the invention is for these applications particularly suitable.

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 Legierungen typischen Phänomene der Schlackenbildung, des Abbrands und des Viskositätsanstiegs der Schmelze aufgrund von Oxidbildung konnten bei der erfindungsgemäßen 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.To produce a semi-finished product suitable for worm gear production a bolt CuSn15Fe0.8 manufactured by spray compacting. As an atomizing gas nitrogen was used. Those for the alloys deoxidized by suitable additives typical phenomena of slag formation, burning and Viscosity increase in the melt due to oxide formation could in the inventive Alloy complete despite atmospheric melting conditions be avoided. A slight Fe erosion of 0.85% by weight was observed 0.75% by weight in the sprayed bolt, but for production and function of the component remained irrelevant.

Das Gefüge im gesprühten Zustand war gleichmäßig und metallographisch frei von Seigerungen. Nach spanender Bearbeitung des Bolzens erfolgte eine Warmumformung durch Strangpressen zu einer Stange mit Durchmesser 20 mm. Die Temperatur des Werkstoffs betrug dabei 650°C. Das Stangenmaterial wurde gerichtet.The structure in the sprayed state was uniform and metallographically free from Segregations. After the bolt had been machined, it was hot-worked by extrusion into a rod with a diameter of 20 mm. The temperature the material was 650 ° C. The bar stock was straightened.

Der Werkstoff lag nach der Warmumformung im weichen Zustand vor. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit A10 = 53 %, Rp0.2 = 253 MPa, Rm = 548 MPa, HV = 133 ermittelt.The material was in the soft state after hot forming. The mechanical properties were determined with A 10 = 53%, R p0.2 = 253 MPa, R m = 548 MPa, HV = 133.

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 % ( = 0,22). Ohne Zwischenglühung erfolgte der zweite Umformschritt an Durchmesser 15,5 mm. Die Gesamtumformung entsprach somit einer Flächenreduktion von 40 % ( = 0,51). Die Stangen wurden nachfolgend gerichtet.The bars were pickled for surface leveling. The further processing was carried out using cold drawing processes to increase the strength properties. The Forming was carried out in two steps. In the first forming step, the rods were drawn to a diameter of 17.9 mm, corresponding to one Area reduction of 20% ( = 0.22). The second was carried out without intermediate annealing Forming step on diameter 15.5 mm. The total forming thus corresponded an area reduction of 40% ( = 0.51). The bars were subsequently straightened.

Zur Vermeidung eines Werkstückverzugs während der spanenden Bearbeitung wurden innere Spannungen durch eine 4-stündige Glühbehandlung bei 300°C reduziert. Das Stangenmaterial zeigte abschließend folgende Eigenschaften: A10 = 5,8 %, Rp0.2 = 709 MPa, Rm = 865 MPa, HV10 = 265.To avoid workpiece distortion during machining, internal stresses were reduced by a 4-hour annealing treatment at 300 ° C. The rod material finally showed the following properties: A 10 = 5.8%, R p0.2 = 709 MPa , R m = 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 verarbeitet wurde. Der Schmelzprozeß erfolgte bei jener Legierung im Vakuum, so daß auf desoxidierende Zusätze verzichtet werden konnte. Der prozeßtechnische Aufwand der Fertigung des CuSn15,5-Werkstoffs war somit erheblich höher als der Fertigungsaufwand von CuSn15,5Fe0,7. CuSn15,5Fe0,7 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion Rm = 865 MPa, Rp0.2 = 709 MPa, A10 = 5,8 %, HV10 = 265 CuSn15,5 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion Rm = 828 MPa, Rp0.2 = 681 MPa, A10 = 6,7 %, HV10 = 250 (CuSn15,5Fe0,7: erfindungsgemäß) The following table compares the properties achieved with a CuSn15.5 alloy which - apart from melting - was processed in the same way. The melting process for this alloy was carried out in a vacuum, so that deoxidizing additives could be dispensed with. The process engineering effort for the production of the CuSn15.5 material was therefore considerably higher than the manufacturing effort for CuSn15.5Fe0.7. CuSn15.5Fe0.7 after cold working with 40% area reduction R m = 865 MPa, R p0.2 = 709 MPa, A 10 = 5.8%, HV10 = 265 CuSn15.5 after cold forming with 40% area reduction R m = 828 MPa, R p0.2 = 681 MPa, A 10 = 6.7%, HV10 = 250 (CuSn15.5Fe0.7: according to the invention)

Durch den Einsatz von 0,7 Gew.% Fe erzielt die erfindungsgemäße Legierung deutlich bessere mechanischen Eigenschaften als die Fe-freien Variante und ist damit auch besser für mechanisch beanspruchte Bauteile geeignet die bekannten zinnarmen 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 bisher nicht bekannt war.The alloy according to the invention clearly achieves by using 0.7% by weight of Fe better mechanical properties than the Fe-free variant and is therefore the known tin arms are also more suitable for mechanically stressed components CuSn wrought alloys. The ductility parameters are for both materials similarly, from which it can be concluded that Fe additions are suitable for the formation of To make pores and embrittling oxide lines more difficult during the primary shaping. This was not to be expected because of this effect of iron in a CuSn alloy was not known.

Eine Glühbehandlung bei 650°C führt zur Entfestigung der Werkstoffe. Nach 3 h Glühzeit stellten sich die in unten stehender Tabelle aufgeführten Eigenschaften ein: CuSn15,5Fe0,7 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion und nachfolgender Glühung bei 650°C / 3h. Rm = 548 MPa, Rp0.2 = 253 MPa, A10 = 50 %, HV10 = 133 CuSn15,5 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion und nachfolgender Glühung bei 650°C / 3h. Rm = 498 MPa, Rp0.2 = 182 MPa, A10 = 50 %, HV10 = 104 (CuSn15,5Fe0,7: erfindungsgemäß) An annealing treatment at 650 ° C leads to softening of the materials. After 3 hours of annealing, the properties listed in the table below appeared: CuSn15.5Fe0.7 after cold working with 40% area reduction and subsequent annealing at 650 ° C / 3h. R m = 548 MPa, R p0.2 = 253 MPa, A 10 = 50%, HV10 = 133 CuSn15.5 after cold forming with 40% reduction in area and subsequent annealing at 650 ° C / 3h. R m = 498 MPa, R p0.2 = 182 MPa, A 10 = 50%, HV10 = 104 (CuSn15.5Fe0.7: according to the invention)

Auffallend ist die geringe Entfestigung der erfindungsgemäßen Legierungen: Die Festigkeitskenngrößen übertreffen deutlich die einer konventionell urgeformten Zinnbronze mit 8 Gew.-% Sn, 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. Erweichungsbeständigkeit, Relaxationsbeständigkeit, Kriech- bzw. Zeitstandfestigkeit) aufweisen als die herkömmlichen CuSn-Knetlegierungen. Damit ist die erfindungsgemäße Legierung auch für den Einsatz unter erhöhter Temperatur geeignet.What is striking is the low softening of the alloys according to the invention: the strength parameters clearly exceed those of a conventionally shaped tin bronze with 8% by weight of Sn , which was similarly shaped and heat treated. This leads to the conclusion that the tin-rich alloys have significantly better mechanical properties at high temperatures (ie softening resistance, relaxation resistance, creep or creep resistance) than the conventional CuSn wrought alloys. The alloy according to the invention is therefore also suitable for use at elevated temperatures.

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 Eigenschaften ist.In a direct comparison of the tin-rich, spray-compacted materials the Fe-containing alloy after heat treatment the higher strength values, which indicates a higher temperature resistance of the mechanical properties is.

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 Werkstoffschaften erzielt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird demnach gelöst.Based on these results it can be shown that the process engineering Effort to produce tin-rich CuSn alloys due to an increased Fe content bypassed and an improvement of the application-relevant material shafts can be achieved. The object of the invention is therefore achieved.

Claims (13)

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.Use of a copper-tin-iron alloy that consists of 12 to 20 wt .-% Tin, 0.2 to 5 wt .-% iron, balance copper and usual impurities exists for the manufacture of mechanically stressed components of the Vehicle and general mechanical engineering. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Funktionselementen des Maschinenbaus, insbes. für die Herstellung von Hebeln, Federn, Zahnrädern, Schneckenrädern, Walzen, Spindelmuttern, Bolzen und Schrauben.Use according to claim 1 for the production of functional elements mechanical engineering, especially for the production of levers, springs, gears, Worm wheels, rollers, spindle nuts, bolts and screws. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Gleitlagern, Kupplungsstücken oder Friktionsscheiben aus dem Fahrzeug- oder Maschinenbau.Use according to claim 1 for the production of plain bearings, coupling pieces or friction discs from vehicle or mechanical engineering. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von elektromechanischen Bauteilen, insbes. für die Herstellung von Relaisfedern, Schaltelementen, Kontakten, Steckverbindern.Use according to claim 1 for the production of electromechanical Components, especially for the production of relay springs, switching elements, Contacts, connectors. 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. Use of a copper alloy according to claim 1 with 12 to 14% by weight of tin, 1 to 5% by weight of iron; for the purpose according to one or more of claims 1 to 4. 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. Use of a copper alloy according to claim 1 with 15 to 17% by weight of tin, 0.3 to 4% by weight of iron; for the purpose according to one or more of claims 1 to 4. 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. Use of a copper alloy according to claim 1 with 16 to 20 wt% tin, 0.3 to 3 wt% iron; for the purpose according to one or more of claims 1 to 4. 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.Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 7, in which the iron is wholly or partially replaced by cobalt for the purpose one or more of claims 1 to 4. 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.Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 8, which additionally contains up to 5% by weight of nickel, for the purpose of one or several of claims 1 to 4. 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. Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 9, the additionally contains up to 2% by weight aluminum, for the purpose of a or more of claims 1 to 4. 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..Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 10, the additionally contains up to 5% by weight of manganese and / or zinc, for which Purpose according to one or more of claims 1 to 4 .. 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 Spanbrecher enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4. .Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 11, the additionally up to 3% by volume of lead and / or intermetallic phases and / or Contains graphite as a chip breaker, for the purpose of one or more of claims 1 to 4.. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 12, die zusätzlich 0,01 bis 0,5 Gew.-% Phosphor enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.Use of a copper alloy according to claim 1 or 5 to 12, the additional Contains 0.01 to 0.5 wt .-% phosphorus, for the purpose of a or more of claims 1 to 4.
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