EP1980633B1 - Verwendung einer Bronzelegierung für ein Schneckenzahnrad - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis zur Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben durch Stranggießen und anschließender mechanischer Bearbeitung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs oder Bauteils aus einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis, wobei die Kupferlegierung stranggegossen wird, anschließend der Strang gesägt und aus den Strangstücken durch spanabhebende Verfahren ein Halbzeug oder ein fertiges Bauteil hergestellt wird.
• Generell besteht der Trend, dass Bauteile eines mechanischen Antriebs, beispielsweise Getriebeteile, immer höheren Belastungen ausgesetzt werden. Dies gilt beispielsweise auch für Schneckengetriebe, welche in der Antriebstechnik eine zunehmend wichtigere Rolle einnehmen. Bei den Schneckengetrieben wird häufig das Schneckenrad aus einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis, also einer Bronzelegierung, hergestellt, um gute Gleiteigenschaften des Schneckenrads zu erzielen und damit ein geräuscharmes Schneckengetriebe zur Verfügung zu stellen. Geräuscharmut resultiert aus einem hohen Anteil an Gleitwälzbewegungen, wobei große Gleitgeschwindigkeiten mit relativ hohen Flankenpressungen einlauffähige Werkstoffpaarungen voraussetzen. Dies wird beispielsweise durch eine Hart-Weich-Kombination an Werkstoffen erreicht. Da üblicherweise die Schnecke aus einsatzgehärtetem Stahl und das Schneckenrad aus einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis besteht, begrenzt das aus der Bronze gefertigte Schneckenrad aufgrund dessen Abnutzung die Getriebelebensdauer. Zwar kann prinzipiell die Getriebelebensdauer durch den Einsatz von Stahl oder Grauguss als Scheckenradwerkstoff erhöht werden. Allerdings geht dies häufig einher mit verschlechterten Einlaufeigenschaften und höherem Geräuschpegel.
• Aus der europäischen Patentanmeldung EP 749 897 A1 sind Kupfer-zinn-Legierungen zur Herstellung von wasserführenden Gussteilen bekannt, welche eine geringe Migrationsneigung der Legierungsbestandteile in das zu führende Wasser zeigen.
• Aus der EP 0 926 251 A1 sind ferner Kupfer-Zinn-Titan-Legierungen bekannt, die für die Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben verwendet werden.
• Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis vorzuschlagen, welche die Herstellung von Bauteilen, beispielsweise Schneckenrädern, mit einer höheren Lebensdauer bei gleichzeitiger Geräuscharmut des Getriebes ermöglicht. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder fertigen Bauteilen aus einer entsprechenden Kupferlegierung anzugeben.
• Die oben hergeleitete Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch für eine Verwendung einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basiszur Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben dadurch gelöst, dass die Kupferlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 13,0\%,$$

  

  $$1,50\%\le \mathrm{Ni}\le 2,50\%,$$

  

  $$\mathrm{Pb}\le 0,30\%,$$

  

  $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{40}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

  

  $$0,04\%\le \mathrm{Zr}\le 0,25\%,$$

  

  $$84,5\%\le \mathrm{Cu}\le 87,5\%,$$

  

  
  maximal in Summe 0,5 % der folgenden
  Legierungsbestandteile, wobei die
  Legierungsbestandteile einzeln die folgenden Gehalte aufweisen: $$\mathrm{Sb}\le 0,10\%,$$

  

  $$\mathrm{S}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

  

  $$\mathrm{Zn}\le 0,40\%$$

  

  
  und unvermeidbare Verunreinigungen.
• Der Sn-Gehalt der erfindungsgemäßen Kupferlegierung führt zu fein verteilten, sehr harten und Sn-reichen Gefügebestandteilen, welche wesentlich zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit beitragen. Zusätzlich ermöglicht der Sn-Gehalt, dass über eine Wärmebehandlung eine Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung erreicht werden kann. Über den Nickelanteil von 1,5 bis 2,5 Gew.-% wird zusätzlich eine Festigkeits- und Härtesteigerung erzielt, ohne die Zerspanbarkeit negativ zu beeinflussen. Der relativ geringe Bleigehalt von weniger als 0,3 Gew.-% gewährleistet, dass nur geringe Mengen an Blei im Abrieb freigesetzt werden. Durch den Phosphorgehalt von 0,05 Gew.-% bis 0,40 Gew.-% wird die Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Kupferlegierung im Stranggießverfahren verbessert. Darüber hinaus sorgt der Zusatz von Zirkonium mit einem Anteil von 0,04 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% in Verbindung mit den übrigen Legierungsbestandteilen das auch beim Stranggießen der Kupferlegierung ein besonders feines Gefüge entsteht, das zu deutlich verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung führt. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Kupferlegierung 84,5 % bis 87,5 % Kupfer. Eine Begrenzung der Gehalte an Antimon, Schwefel und Zink auf insgesamt maximal in Summe 0,5 Gew.-%, wobei die Obergrenzen für Antimon 0,10 Gew.-%, für Schwefel 0,05 Gew.-% und für Zink 0,40 Gew.-% betragen, sorgt dafür, dass die verbesserten Verschleißeigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung nicht verschlechtert werden.
• Im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit kann die erfindungsgemäße Verwendung der Kupferlegierung gemäß einer ersten Ausgestaltung dadurch weiterverbessert werden, dass die Kupferlegierung zusätzlich die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 11,8\%,$$

  

  $$2,0\%\le \mathrm{Ni}\le 2,20\%,$$

  

  $$0,05\%\le \mathrm{Pb}\le 0,30\%,$$

  

  $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{20}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

  

  $$0,05\%\le \mathrm{Zr}\le 0,20\%$$

  

  und $$85,5\%\le \mathrm{Cu}\le 86,85\%\mathrm{.}$$

  
• Die Kombination der oben genannten Legierungsbestandteile in ihren genau aufeinander abgestimmten Mengen gewährleistet ein noch feineres Gefüge der Kupferlegierung nach dem Strangguss, so dass die Verschleißeigenschaften trotz guter Verarbeitbarkeit der gegossenen Stränge verbessert werden.
• Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung dadurch gelöst, dass vor dem Stranggießen der Gehalt der Kupferschmelze an Phosphor und Zirkonium durch Zulegieren von Zirkon-Kupfer und Phosphor-Kupfer-Vorlegierungen eingestellt wird, wobei das Zulegieren des Zirkoniums mit einer Zr-Cu-Vorlegierung mit 67 % Cu und 33 % Zr-Anteil und das Zulegieren von Phosphor mit einer P-Cu-Vorlegierung mit 90 % Cu und 10 % P-Anteil erfolgt.
• Die angegebenen Vorlegierungen ermöglichen eine besonders genaue Einstellung der Gehalte an Zirkonium und Phosphor in der erfindungsgemäßen Kupferlegierung und ermöglichen damit eine genaue Kontrolle der Gefügestruktur.
• Ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung ergibt sich gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass die Abziehgeschwindigkeit beim Stranggießen größer als 50 mm/min, vorzugsweise größer 80 mm/min ist. Zwar ist die Abziehgeschwindigkeit abhängig vom Durchmessers des Strangs und der deshalb abzukühlenden Metallmenge, mit der erfindungsgemäßen Kupferlegierung konnte jedoch eine Steigerung in den Abziehgeschwindigkeiten bei Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis erreicht werden, ohne Einbußen in der Gefügequalität in Kauf nehmen zu müssen. Trotz der hohen Abziehgeschwindigkeiten wird eine Gefügestruktur mit einer Korngröße um 60 µm erreicht.
• Vorzugweise werden durch das Stranggießen Vollstangen oder Rohre bis zu einem Durchmesser von 200 mm, vorzugsweise 180 mm hergestellt. Diese Abmessungen lassen eine ausreichende Abziehgeschwindigkeit zu und ermöglichen die Herstellung von fertig gestellten Bauteilen aus gesägten Rohlingen, ohne das sehr große Abfallmengen entstehen. Die Rohre können dabei sowohl einen kreisförmigen Querschnitt als auch ein Vierkant, Sechskant bzw. einen mehrkantigen Querschnitt aufweisen.
• Schließlich werden gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Schneckenräder eines Schneckenradgetriebes oder Halbzeuge für die Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben hergestellt. Schneckenräder eines Schneckenradgetriebes hergestellt aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung sind nicht nur geräuscharm in ihrer Verwendung in der Antriebstechnik, sondern weisen darüber hinaus noch eine besonders gute Verschleißfestigkeit auf. Diese führt unmittelbar zu einer Verlängerung der Lebensdauer der mit den entsprechenden Schneckenrädern ausgestatteten Antriebe.
• Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Kupferlegierung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 3 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
• In dem Ausführungsbeispiel ist zunächst eine Kupferlegierung hergestellt worden, welche die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 11,80\%,$$

  

  $$2,0\%\le \mathrm{Ni}\le 2,20\%,$$

  

  $$0,05\%\le \mathrm{Pb}\le 0,30\%,$$

  

  $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{20}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

  

  $$0,05\%\le \mathrm{Zr}\le 0,20\%$$

  

  und $$85,5\%\le \mathrm{Cu}\le 86,85\%\mathrm{.}$$

  
• Die Kupferlegierung wurde bei einer Gießtemperatur von 1150 °C bis 1250 °C in eine Graphitkokille stranggegossen. Mit einer Abziehgeschwindigkeit von etwa 85 mm/min. wurde ein Rohr gezogen mit einem Außendurchmesser von 120 mm und einem Innendurchmesser von 70 mm. Anschließend wurde das stranggegossene Rohr, in Strangstücke gesägt und zu Halbzeugen für die Schneckenradfertigung weiterverarbeitet. Es zeigte sich, dass die aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis hergestellten Schneckenräder besonders verschleißfest waren und dennoch die guten Einlaufeigenschaften bekannter Schneckenräder aus konventionellen Kupferlegierungen auf Kupfer-Zinn-Basis aufweisen. Bei einer Gefügeuntersuchung zeigte sich, dass die Korngrößen im Bereich von 60 µm lagen und sich ähnlich wie beim Schleudergießen gleichmäßig aus α-Substitutionskristallen zusammen mit an den Korngrenzen eingelagerten δ-Phasen bestehen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Gefügestruktur verantwortlich für die guten Einlaufeigenschaften und Verschleißeigenschaften ist. Insbesondere wurden bei der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber der bekannten Kupferlegierung CuSn12Ni gemäß DIN-Norm DIN EN 1982 um circa 15 % verbesserte Werte im Hinblick auf die zugfestigkeit RP0,2 und die Dehnung A₅ erreicht. Diese Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist insbesondere auf die optimierte Gefügestruktur zurückzuführen. Als Folge stellt sich eine deutlich verlängerte Lebensdauer eines Schneckenrades ein.

Claims (7)

1. Verwendung einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis zur Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben durch Stranggießen und anschließende mechanische Bearbeitung,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 13,0\%,$$

   

   $$1,5\%\le \mathrm{Ni}\le 2,5\%,$$

   

   $$\mathrm{Pb}\le 0,3\%,$$

   

   $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{4}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

   

   $$0,04\%\le \mathrm{Zr}\le 0,25\%,$$

   

   $$84,5\%\le \mathrm{Cu}\le 87,5\%,$$

   

   
   maximal in Summe 0,5 % der folgenden Legierungsbestandteile, wobei diese Legierungsbestandteile einzeln die folgenden Gehalte aufweisen: $$\mathrm{Sb}\le 0,10\%,$$

   

   $$\mathrm{S}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

   

   $$\mathrm{Zn}\le 0,40\%$$

   

   
   und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Verwendung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Kupferlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 11,8\%,$$

   

   $$2,0\%\le \mathrm{Ni}\le 2,20\%,$$

   

   $$0,05\%\le \mathrm{Pb}\le 0,30\%,$$

   

   $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{20}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

   

   $$0,05\%\le \mathrm{Zr}\le 0,20\%$$

   

   und $$85,5\%\le \mathrm{Cu}\le 86,85\%\mathrm{.}$$

   
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs oder Bauteils aus einer Kupferlegierung auf Kupfer-Zinn-Basis, wobei die Kupferlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 13,0\%,$$

   

   $$1,5\%\le \mathrm{Ni}\le 2,5\%,$$

   

   $$\mathrm{Pb}\le 0,3\%,$$

   

   $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{4}\mathrm{\%}$$

   

   $$0,04\%\le \mathrm{Zr}\le 0,25\%,$$

   

   $$84,5\%\le \mathrm{Cu}\le 87,5\%,$$

   

   
   maximal in Summe 0,5 % der folgenden Legierungsbestandteile, wobei diese Legierungsbestandteile einzeln die folgenden Gehalte aufweisen: $$\mathrm{Sb}\le 0,10\%,$$

   

   $$\mathrm{S}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

   

   $$\mathrm{Zn}\le 0,40\%$$

   

   
   und unvermeidbare Verunreinigungen,
   wobei die Kupferlegierung stranggegossen wird, anschließend der Strang gesägt und aus den Strangstücken durch spanabhebende Verfahren das Halbzeug oder Bauteil hergestellt wird,
   dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Stranggießen der Gehalt der Kupferschmelze an Phosphor und Zirkonium durch Zulegieren von Phosphor-Kupfer(P-Cu)- und Zirkon-Kupfer(Zr-Cu)-Vorlegierungen eingestellt wird, wobei das Zulegieren des Zirkoniums mit einer Zr-Cu-Vorlegierung mit 67 % Cu- und 33 % Zr-Anteil und das Zulegieren von Phosphor mit einer P-Cu-Vorlegierung mit 90 % Cu- und 10 % P-Anteil erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Abziehgeschwindigkeit beim Stranggießen größer als 50 mm/min, vorzugsweise größer 80 mm/min ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
   dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stranggießen Vollstangen oder Rohre bis zu einem Durchmesser von 200 mm, vorzugsweise 180 mm hergestellt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet, dass Schneckenräder eines Schneckenradgetriebes oder Halbzeuge für die Herstellung von Schneckenrädern von Schneckenradgetrieben hergestellt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung zusätzlich die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist: $$11,0\%\le \mathrm{Sn}\le 11,8\%,$$

   

   $$2,0\%\le \mathrm{Ni}\le 2,20\%,$$

   

   $$0,05\%\le \mathrm{Pb}\le 0,30\%,$$

   

   $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{05}\mathrm{\%}\mathrm{\le }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{20}\mathrm{\%}\mathrm{,}$$

   

   $$0,05\%\le \mathrm{Zr}\le 0,20\%$$

   

   und $$85,5\%\le \mathrm{Cu}\le 86,85\%\mathrm{.}$$