EP2927335A1 - Aluminiumbronzelegierung, Herstellungsverfahren und Produkt aus Aluminiumbronze - Google Patents

Aluminiumbronzelegierung, Herstellungsverfahren und Produkt aus Aluminiumbronze Download PDF

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EP2927335A1
EP2927335A1 EP14163339.6A EP14163339A EP2927335A1 EP 2927335 A1 EP2927335 A1 EP 2927335A1 EP 14163339 A EP14163339 A EP 14163339A EP 2927335 A1 EP2927335 A1 EP 2927335A1
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EP
European Patent Office
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weight
alloy
aluminum bronze
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final
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EP2927335B1 (de
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Björn Reetz Dr.
Thomas Plett
Hermann Gummert
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Otto Fuchs KG
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Otto Fuchs KG
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Priority to KR1020177012181A priority patent/KR101784748B1/ko
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/005—Castings of light metals with high melting point, e.g. Be 1280 degrees C, Ti 1725 degrees C
    • 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
    • C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to an aluminum bronze alloy and to a production process for an aluminum bronze alloy. Further, the invention deals with a product of such an aluminum bronze.
  • alloys for friction applications such as those for piston liners or thrust bearings of a turbocharger
  • a suitable alloy must have a low coefficient of friction in order to minimize the power dissipation caused by the friction and to reduce the heat development in the area of the friction contact.
  • the friction partners are in a lubricant environment, where in principle a good adhesion of the lubricant to the alloy is required.
  • a stable tribological layer is to be formed, which, like the subordinate base matrix of the alloy, must have high thermal stability and good thermal conductivity.
  • a broadband oil compatibility is required, so that a substantial insensitivity of the alloy and the tribological layers to changes in the lubricant results.
  • the objective is to provide a high mechanical strength alloy, which has a sufficiently high 0.2% proof strength to keep plastic deformation under load low. Furthermore, a high tensile strength and hardness must be present so that the alloy withstands abrasive and adhesive loads. The dynamic load capacity should be so high that a good toughness against impact stresses is given. In addition, the highest possible fracture toughness slows down the crack growth rate starting from microdefects, with an alloy being required which is as free of residual stresses as possible in terms of defect growth.
  • Suitable alloys for components with a tendency to rust are in many cases special brasses which, in addition to copper and zinc as main constituents, are an alloy at least one of the elements nickel, iron, manganese, aluminum, silicon, titanium or chromium.
  • silicon brasses meet the above-mentioned requirements, with CuZn31Si1 representing a standard alloy for friction applications, for example for piston liners.
  • tin bronzes which in addition to tin and copper additionally nickel, zinc, iron and manganese, for Reibanengine or for mining applications.
  • aluminum bronzes which, in addition to copper and aluminum, may contain alloying additives selected from the group consisting of nickel, iron, manganese, aluminum, silicon, tin and zinc.
  • a use of a copper-aluminum alloy with a cover layer of aluminum oxide for use as a bearing material for the production of a sliding bearing is known from DE 101 59 949 C1 known.
  • An aluminum content of 0.01 to 20% and the use of further choice elements from the group of iron, cobalt, manganese, nickel, silicon, tin up to a maximum of 20% and optionally up to 45% zinc are disclosed.
  • Other broadband alloy compositions for silicon bronze are by US 6,699,337 B2 .
  • JP 04221033 A and DE 22 39 467 A such as JP 10298678 A described.
  • the object of the invention based on the prior art outlined above, is to propose an aluminum bronze alloy and a product of an aluminum bronze alloy, which are distinguished by improved mechanical properties and, in particular, by good adjustability of the material parameters to the present static and dynamic load.
  • an aluminum bronze alloy and a product of an aluminum bronze alloy which are distinguished by improved mechanical properties and, in particular, by good adjustability of the material parameters to the present static and dynamic load.
  • good oil compatibility and high thermal stability and sufficient thermal conductivity at the same time be given low weight.
  • a method for producing an aluminum bronze alloy and a product from an aluminum bronze alloy must be specified.
  • All of the alloy compositions described in this specification may contain unavoidable impurities per element of 0.05% by weight, the total amount of impurities should not exceed 1.5% by weight. However, it is preferred to keep the impurities as low as possible and not exceed a proportion of 0.02 wt .-% per element, a total amount of 0.8 wt .-%.
  • the ratio between aluminum and zinc based on the weight fractions in the aluminum bronze alloy in a range of 1.4-3.0, and more preferably between 1.5 and 2.0.
  • the lead content of the alloy is preferably less than 0.05 wt .-%.
  • the alloy is thus lead-free except for unavoidable impurities.
  • the alloy is also manganese-free except for unavoidable impurities. That this alloy has the particular properties described below was also surprising in view of the background that prior art low-zinc alloyed copper alloys regularly contain manganese as a mandatory alloying element to achieve the desired strength properties.
  • Essential in the claimed alloy is the combination of the alloying elements aluminum, nickel, tin and zinc in the proportions described. Particularly preferred is an embodiment in which the sum of these elements is not less than 15 wt .-% and not greater than 17.5 wt .-%.
  • the composition of the aluminum bronze alloy according to the invention leads to an alloy matrix having a dominant ⁇ phase in the case of hot forming following the alloy melt and subsequent cooling below 750 ° C.
  • this state is referred to as extruded state.
  • the chemical composition of the aluminum bronze alloy is preferably adjusted so that in the extruded state, the fraction of the ⁇ -phase is less than 1% by volume of the alloy matrix.
  • This alloy solidifies from the melt virtually directly in the ⁇ - ⁇ -two-phase space.
  • This results in the hot working preferably an indirect extrusion, for the ⁇ -phase to a dynamic recrystallization followed by a static recrystallization, which gives rise to a fine alloy structure.
  • the recrystallization process in hot working proceeds via dynamic recovery followed by static recrystallization.
  • ⁇ II and / or ⁇ IV phases occur with iron and / or nickel aluminides.
  • the structure present in the extruded state is not only characterized by the choice of aluminum content, but also determined by the other alloyed elements.
  • a grain-refining effect is to be assumed.
  • Tin has a stabilizing effect on the ⁇ -phase before the state of extrusion with the structure essentially determined by the ⁇ -phase is reached near the boundary to the ⁇ - ⁇ mixed phase.
  • the selected ratio of aluminum to zinc has proved to be relevant for the state of extrusion and the resulting adjustability of the mechanical properties by subsequent cold forming and heat treatment steps.
  • the product of the aluminum bronze alloy according to the invention when in contact with a wide range of lubricants under frictional loading, forms stable tribological layers, in which aluminum oxide, in addition to aluminum oxide, is incorporated in conjunction with lubricant components, and into which a sufficient runflat resistance-inducing tin diffuses.
  • Hartphasenausclerosis are in the form of intermetallic ⁇ II and / or ⁇ IV phases with iron and / or nickel aluminides, which represent highly resilient contact points of the friction layer in a ductile matrix.
  • the aluminides are preferably formed at the grain boundaries of the ⁇ -matrix of the alloy, wherein in the final alloy state the mean grain size of the ⁇ -matrix is ⁇ 50 ⁇ m.
  • the intermetallic ⁇ II and / or ⁇ IV phases take an elongated shape with a middle one due to the alloying Length of ⁇ 10 microns and a median volume of ⁇ 1,5 microns to 2, wherein is carried out at a hot forming by indirect extrusion in an alignment direction of stretching which is hardly affected by the subsequent cold forming. Further, additional aluminide precipitation is observed leading to intermetallic phases having a roundish shape and a small average size of ⁇ 0.2 ⁇ m in the final alloy state after the final annealing.
  • the method according to the invention starts from the abovementioned alloy composition according to the invention and uses a hot forming method, preferably an indirect extrusion, after the melting of the alloy constituents.
  • the subsequent cold forming is carried out according to an advantageous embodiment as cold drawing with a degree of deformation in the range of 5 - 30%.
  • the final alloy state of a product of the aluminum bronze alloy and particularly preferably already the state of extrusion, has an ⁇ -matrix with a maximum ⁇ -phase content of 1% by volume. If the ⁇ -phase content in the extrusion state is higher, alternatively, soft annealing may be carried out in a temperature range of 450-550 ° C. between hot working and cold working.
  • the final annealing after the cold working step is selected in terms of temperature so that the alloy is tempered under the solution annealing temperature in a range of 300 - about 500 ° C. However, preferred is an embodiment in which this heat treatment step is carried out only up to a maximum temperature of 400 ° C.
  • a 0.2% proof stress in the range of 650-1000 MPa, a tensile strength R m in the range of 850-1050 MPa and an elongation at break A 5 in the range of 2-8% and preferably in the range of 4-7% adjusted without using a temperature-controlled cooling.
  • the final annealing mainly affects the elongation at break A 5 , so that it can be selectively and broadband adjustable.
  • the 0.2% proof stress and the tensile strength R m are calculated from a defined extrusion state selected in particular by the choice of the degree of deformation during cold drawing.
  • the alloy according to the invention is suitable for constant frictional loads as well as due to its special properties, especially for the production of a component on which a time-varying frictional load acts, such as a bearing bush for a bearing of a piston shaft, a sliding block or a highly reibbelastetes worm wheel.
  • a component made of the alloy is a thrust bearing for a turbocharger.
  • a time-varying friction load can also lead to a lack of lubrication, wherein the tin content contained in the alloy ensures that the exposed to such a load component meets the relevant requirements.
  • the alloy composition was melted and hot worked by means of vertical continuous casting at a casting temperature of 1170 ° C and a casting speed of 60 mm / min. At a press temperature of 900 ° C.
  • the relevant alloy has the following composition: Cu Zn pb sn Fe Mn Ni al rest 4.64 0.01 1.01 4.08 0.03 3.90 7.30
  • the experimental alloy obtained after cooling in the extruded state was characterized by means of scanning electron micrographs and energy-dispersive analyzes (EDX) Figures 1 and 2 shown material state was present.
  • the in the Figures 1 and 2 shown with secondary electron contrast at the magnifications 3000x and 6000x show an ⁇ -phase, which forms the alloy matrix, and hard phase precipitates in the form of ⁇ II and ⁇ IV phases, which consist of iron and nickel aluminides and which are mainly at the grain boundaries deposit.
  • the in FIG. 3 shown recording with a 9000-fold magnification, that in addition Hartphasenausscheidonne present with a mean size of ⁇ 0.2 microns.
  • EDX measurements averaged a chemical composition of 84.2 wt% Cu, 5.0 wt%. Zn, 4.4% by weight. Fe, 3.4% by weight. Ni, 2.8% by weight. Al and 0.1% by weight. Si.
  • the average composition was 15.2% by weight Cu, 2.4% by weight, in the extruded state.
  • the content of the intermetallic phases was determined to be 7% by volume while the phase-order ⁇ -phase content was less than 1% by volume. Measurements of the material states resulting from the cold working and heat treatment steps shown below did not change the phase composition.
  • Final annealing to adjust the final alloy state of the aluminum bronze products was performed for further series of measurements below the mild or solution annealing temperature.
  • final annealing temperatures in the range of 300-400 ° C were selected, in combination with a variation of the degrees of extraction of the upstream cold forming a wide range for the mechanical properties of the final alloy state is adjustable without applying costly measures for temperature-controlled cooling.

Abstract

Aluminiumbronzelegierung mit 7,0 - 10,0 Gew.-% Al; 3,0 - 6,0 Gew.-% Fe; 3,0 - 5,0 Gew.-% Zn; 3,0 - 5,0 Gew.-% Ni; 0,5 - 1,5 Gew.-% Sn; ‰¤ 0,2 Gew.-% Si; ‰¤ 0,1 Gew.-% Pb; und Rest Cu nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Beschrieben ist des Weiteren ein Aluminiumbronzeprodukt mit einer solchen Legierungszusammensetzung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Produktes aus einer Aluminiumbronzelegierung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aluminiumbronzelegierung sowie ein Herstellungsverfahren für eine Aluminiumbronzelegierung. Ferner behandelt die Erfindung ein Produkt aus einer solchen Aluminiumbronze.
  • Die Anforderungen an Legierungen für Reibanwendungen, wie sie beispielsweise für Kolbenbuchsen oder Axiallager eines Turboladers vorliegen, sind vielfältig. Eine geeignete Legierung muss einen niedrigen Reibwert aufweisen, um die durch die Reibung bedingte Verlustleistung zu minimieren und die Wärmeentwicklung im Bereich des Reibkontakts zu verringern. Ferner ist zu berücksichtigen, dass sich für typische Anwendungen die Reibpartner in einer Schmiermittelumgebung befinden, wobei grundsätzlich ein gutes Haftungsvermögen des Schmiermittels auf der Legierung gefordert wird. Zusätzlich soll sich beim Kontakt mit dem Schmiermittel unter Reibbelastung eine stabile tribologische Schicht ausbilden, die ebenso wie die unterlagerte Grundmatrix der Legierung eine hohe thermische Stabilität und gute Temperaturleitfähigkeit aufweisen muss. Zusätzlich wird eine breitbandige Ölverträglichkeit verlangt, sodass eine weitgehende Unempfindlichkeit der Legierung und der tribologischen Schichten gegenüber Veränderungen des Schmiermittels resultiert.
  • Des Weiteren besteht die Zielsetzung, eine mechanisch hoch belastbare Legierung anzugeben, die eine hinreichend hohe 0,2 %-Dehngrenze aufweist, um plastische Verformungen unter Last gering zu halten. Des Weiteren muss eine hohe Zugfestigkeit und Härte vorliegen, sodass die Legierung abrasiven und adhäsiven Belastungen standhält. Auch die dynamische Belastbarkeit sollte so hoch sein, dass eine gute Zähigkeit gegen stoßende Beanspruchungen gegeben ist. Zusätzlich verlangsamt eine möglichst hohe Bruchzähigkeit die Risswachstumsgeschwindigkeit ausgehend von Mikrodefekten, wobei im Hinblick auf ein Defektwachstum eine Legierung gefordert wird, die möglichst frei von Eigenspannungen ist.
  • Geeignete Legierungen für reibbeanspruchte Bauteile sind vielfach Sondermessinge, die neben Kupfer und Zink als Hauptbestandteile eine Zulegierung wenigstens eines der Elemente Nickel, Eisen, Mangan, Aluminium, Silizium, Titan oder Chrom aufweisen. Dabei erfüllen insbesondere Siliziummessinge die voranstehend genannten Anforderungen, wobei CuZn31Si1 eine Standardlegierung für Reibanwendungen, etwa für Kolbenbuchsen, darstellt.
  • Ferner ist bekannt, Zinnbronzen, die neben Zinn und Kupfer zusätzlich Nickel, Zink, Eisen und Mangan aufweisen, für Reibanwendung oder auch für Bergbauanwendungen einzusetzen. Eine weitere, für reibbelastete Bauteile interessante Legierungsklasse, bilden Aluminiumbronzen, die neben Kupfer und Aluminium Legierungszusätze aufweisen können, die aus der Gruppe Nickel, Eisen, Mangan, Aluminium, Silizium, Zinn und Zink gewählt sind. Dabei ergibt sich für schneller bewegte reibbelastete Komponenten bei der Verwendung von Aluminiumbronzen der zusätzliche Vorteil einer Gewichtsreduktion aufgrund des leichten Elements Aluminium. In Bezug auf Bauteile als reibbelastete Komponenten aus Messing oder Rotguß sind die aus den vorbekannten Aluminiumbronzen hergestellten Bauteile nur für relativ langsam bewegte Reibkomponenten geeignet.
  • Eine Verwendung einer Kupfer-Aluminiumlegierung mit einer Deckschicht aus Aluminiumoxid für die Anwendung als Lagerwerkstoff zur Herstellung eines Gleitlagers ist aus der DE 101 59 949 C1 bekannt. Offenbart wird ein Aluminiumanteil von 0,01 bis 20 % sowie die Verwendung weiterer Wahlelemente aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Mangan, Nickel, Silizium, Zinn bis insgesamt maximal 20 % und zusätzlich wahlweise bis 45 % Zink. Weitere breitbandige Legierungszusammensetzungen für Siliziumbronze werden durch US 6,699,337 B2 , JP 04221033 A und DE 22 39 467 A sowie JP 10298678 A beschrieben.
  • Der Erfindung liegt, ausgehend von dem vorstehend umrissenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumbronzelegierung und ein Produkt aus einer Aluminiumbronzelegierung vorzuschlagen, die sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften und insbesondere durch eine gute Einstellbarkeit der Materialparameter auf die vorliegende statische und dynamische Belastung auszeichnen. Zusätzlich sollen eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine gute Ölverträglichkeit und eine hohe thermische Stabilität sowie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gegeben sein. Des Weiteren sind ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumbronzelegierung und eines Produkts aus einer Aluminiumbronzelegierung anzugeben.
  • Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Aluminiumbronzelegierung mit
    • 7,0 - 10,0 Gew.-% Al;
    • 3,0 - 6,0 Gew.-% Fe;
    • 3,0 - 5,0 Gew.-% Zn;
    • 3,0 - 5,0 Gew.-% Ni;
    • 0,5 - 1,5 Gew.-% Sn;
    • ≤ 0,2 Gew.-% Si;
    • ≤ 0,1 Gew.-% Pb;
    • und Rest Cu.
  • Eine Verbesserung der gewünschten Eigenschaften lässt sich nochmals erreichen, wenn die Aluminiumbronzelegierung folgende Zusammensetzung aufweist:
    • 7,0 - 9,0 Gew.-% , insbesondere 7,0 - 7,8 Gew.-% Al,
    • 4,0 - 5,0 Gew.-% Fe;
    • 3,8 - 4,8 Gew.-% Zn;
    • 3,8 - 4,1 Gew.-% Ni;
    • 0,8 - 1,3 Gew.-% Sn;
    • ≤ 0,2 Gew.-% Si;
    • ≤ 0,1 Gew.-% Pb;
    • und Rest Cu.
  • Bei allen Legierungszusammensetzungen, die im Rahmen dieser Ausführungen beschrieben sind, können unvermeidbare Verunreinigungen je Element von 0,05 Gew.-% enthalten sein, wobei die Gesamtmenge an Verunreinigungen 1,5 Gew.-% nicht überschreiten sollte. Es ist jedoch bevorzugt, die Verunreinigungen möglichst gering zu halten und einen Anteil von 0,02 Gew.-% je Element eine Gesamtmenge von 0,8 Gew.-% nicht zu überschreiten.
  • Für eine besonders vorteilhafte Ausführung ist das Verhältnis zwischen Aluminium und Zink bezogen auf die Gewichtsanteile in der Aluminiumbronzelegierung in einem Bereich von 1,4 - 3,0 und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,0 eingestellt.
  • Der Bleigehalt der Legierung beträgt vorzugsweise weniger als 0,05 Gew.-%. Die Legierung ist somit bis auf unvermeidbare Verunreinigungen bleifrei.
  • Die Legierung ist ebenfalls bis auf unvermeidbare Verunreinigungen manganfrei. Dass diese Legierung die besonderen, nachstehend beschriebenen Eigenschaften aufweist, war auch vor dem Hintergrund überraschend, dass vorbekannte niedrig-zinklegierte Kupferlegierungen regelmäßig Mangan als obligatorisches Legierungselement enthalten, um die gewünschten Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
  • Wesentlich bei der beanspruchten Legierung ist die Kombination der Legierungselemente Aluminium, Nickel, Zinn und Zink in den beschriebenen Anteilen. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Summe dieser Elemente nicht kleiner als 15 Gew.-% und nicht größer als 17,5 Gew.-% ist.
  • Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung führt bei einer an die Legierungsschmelze anschließenden Warmumformung und einem nachfolgenden Abkühlen unter 750°C zu einer Legierungsmatrix mit einer dominanten α-Phase. Im Folgenden wird dieser Zustand als Strangpresszustand bezeichnet. Dabei wird bevorzugt die chemische Zusammensetzung der Aluminiumbronzelegierung so eingestellt, dass im Strangpresszustand der Anteil der β-Phase unter 1 Vol.-% der Legierungsmatrix liegt. Diese Legierung erstarrt aus der Schmelze quasi direkt im α-β-Zweiphasenraum. Dieses führt bei der Warmumformung , bevorzugt ein indirektes Strangpressen, für die α-Phase zu einer dynamischen Rekristallisation gefolgt von einer statischen Rekristallisation, die ein feines Legierungsgefüge entstehen lässt. Für den β-Phasenanteil verläuft der Rekristallisationsvorgang bei der Warmumformung über eine dynamische Erholung gefolgt von einer statischen Rekristallisation. Zusätzlich treten κII und/oder κIV-Phasen mit Eisen- und/oder Nickelaluminiden auf.
  • Dabei wird das im Strangpresszustand vorliegende Gefüge nicht nur durch die Wahl des Aluminiumgehalts geprägt, sondern auch durch die weiteren zulegierten Elemente bestimmt. Für Eisen ist eine kornverfeinernde Wirkung anzunehmen. Zinn wirkt stabilisierend für die β-Phase, bevor der Strangpresszustand mit dem im Wesentlichen durch die α-Phase bestimmten Gefüge nahe dem Grenzbereich zur α-β-Mischphase erreicht wird. Dabei hat sich für den Strangpresszustand und die daraus resultierende Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften durch nachfolgende Kaltumformungs- und Wärmebehandlungsschritte das gewählte Verhältnis von Aluminium zu Zink als relevant erwiesen.
  • Gegenüber einer herkömmlichen, für reibbelastete Bauteile eingesetzte Legierung des Typs CuAl10Ni5Fe4 erweist sich als Vorteil bei der beanspruchten Legierung, dass bei gleicher Temperaturführung einer wärmebeinhaltenen Behandlung oberhalb der Rekristallisationsschwelle nach der Abkühlung diese deutlich geringere β-Phasenanteile aufweist. Daher ist ein aus einer solchen Legierung hergestelltes Produkt deutlich korrosionbeständiger als ein solches aus der vorgenannten vorbekannten Legierung hergestelltes Produkt. Gerade für solche Anwendungen macht sich zudem der relativ hohe Zinkgehalt positiv bemerkbar, da dieses höhere Gleitgeschwindigkeiten erlaubt.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass die besonderen Eigenschaften der beanspruchten Aluminiumbronzelegierung nicht mehr gegeben sind, wenn die eng beanspruchten Bereiche in einem oder in mehreren der obligatorischen Elemente unterschritten oder auch überschritten werden. Diesen Untersuchungen zur Folge stellt sich überraschend nur in dem beanspruchten Bereich die vorgeschriebene besondere Legierungsmatrix mit der sehr dominanten α-Phase und einer volumenmäßig nur untergeordnet vorhandenen β-Phase, wenn vorhanden, ein.
  • Ferner hat sich gezeigt, dass ausgehend vom Strangpresszustand eine hohe Kaltverfestigung für ein Produkt aus der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung möglich ist, die zu einem wesentlichen Anstieg der 0,2 %-Dehngrenze RP0,2 und der Zugfestigkeit Rm führt. Durch diese weitgehende Verfestigung bei der Kaltumformung wird die Reserve der Legierung für plastische Verformungen reduziert. Die damit einhergehende Verringerung der Bruchdehnung kann für die erfindungsgemäße Legierung durch ein Endglühen in einem Temperaturbereich von 300 bis etwa 500° C mit einer Temperatureinstellung unterhalb der Lösungsglühtemperatur angehoben werden. Dabei tritt beim Endglühen keine Reduzierung der 0,2 %-Dehngrenze und der Zugfestigkeit ein, stattdessen erfolgt - wider Erwarten - eine weitere Festigkeitssteigerung.
  • Für Wärmebehandlungsschritte, die nach dem Erreichen des Strangpresszustands so ausgeführt werden, dass die verwendeten Temperaturen unterhalb der Rekristallisationsschwelle und innerhalb des Löslichkeitsbereichs der α-Phase liegen, folgt keine Veränderung der Phasenzusammensetzung der Matrix des Strangpresszustands. Dennoch besteht für eine Wärmebehandlung in diesem Temperaturbereich eine überraschend breitbandige Einstellbarkeit der mechanischen Parameter, sodass ein hoch belastbares und anpassbares Produkt der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung mit einer 0,2-Dehngrenze RP0,2 im Bereich von 650 - 1000 MPa, einer Zugfestigkeit Rm im Bereich von 850 - 1050 MPa und einer Bruchdehnung A5 im Bereich von 2 - 8 % und bevorzugt im Bereich von 4 - 7 % entsteht. Bevorzugt resultiert nach der Warm- und Kaltumformung und dem abschließenden Glühen ein Legierungsendzustand, der zusätzlich ein Streckgrenzverhältnis SV im Bereich von 85 - 95 % und eine Brinellhärte von 250 - 300 HB 2,5/62,5 aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Produkt der Aluminiumbronzelegierung bildet im Kontakt mit einer großen Bandbreite von Schmierstoffen unter Reibbelastung stabile tribologische Schichten, in die neben Aluminiumoxid Zink in Verbindung mit Schmiermittelkomponenten eingebaut ist und in die eine hinreichende Notlauffähigkeit sicherstellendes Zinn eindiffundiert. Zusätzlich liegen Hartphasenausscheidungen in Form von intermetallischen κII und/oder κIV-Phasen mit Eisen- und/oder Nickelaluminiden vor, die hoch belastbare Auflagepunkte der Reibschicht in einer duktileren Grundmatrix darstellen.
  • Die Aluminide bilden sich bevorzugt an den Korngrenzen der α-Matrix der Legierung, wobei im Legierungsendzustand die mittlere Korngröße der α-Matrix ≤ 50 µm ist. Die intermetallischen κII und/oder κIV-Phasen nehmen aufgrund der Legierungsumformung eine längliche Gestalt mit einer mittleren Länge von ≤10 µm und einem mittleren Volumen von ≤1,5 µm2 an, wobei bei einer Warmumformung durch indirektes Strangpressen eine Ausrichtung in Streckrichtung erfolgt, die durch die nachfolgende Kaltumformung kaum beeinflusst wird. Ferner wird eine zusätzliche Aluminidausscheidung beobachtet, die zu intermetallischen Phasen mit einer rundlichen Form und einer geringen mittleren Größe von ≤ 0,2 µm im Legierungsendzustand nach dem abschließenden Glühen führen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der voranstehend genannten erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung aus und verwendet ein Warmumformverfahren, bevorzugt ein indirektes Strangpressen, nach dem Aufschmelzen der Legierungsbestandteile. Die nachfolgende Kaltumformung wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung als Kaltziehen mit einem Umformungsgrad im Bereich von 5 - 30 % ausgeführt.
  • Besonders bevorzugt wird eine Legierungszusammensetzung, die zu einem Strangpresszustandführt, der nach einer Abkühlung eine direkte Kaltumformung ohne eine weitere Wärmebehandlung ermöglicht. Damit weist der Legierungsendzustand eines Produkts der Aluminiumbronzelegierung und besonders bevorzugt bereits der Strangpresszustand eine α-Matrix mit einem maximalen β-Phasenanteil von 1 Vol.% auf. Liegt der β-Phasenanteil im Strangpresszustand höher, kann alternativ ein Weichglühen in einem Temperaturbereich von 450 - 550° C zwischen dem Warmumformen und dem Kaltumformen erfolgen.
  • Das abschließende Glühen nach dem Kaltumformungsschritt wird bezüglich der Temperatur so gewählt, dass die Legierung unter der Lösungsglühtemperatur in einem Bereich von 300 - etwa 500° C temperiert wird. Bevorzugt wird jedoch eine Ausgestaltung, bei dem dieser Warmbehandlungsschritt nur bis zu einer Temperatur von maximal 400° C durchgeführt wird. Als Folge wird eine 0,2 %-Dehngrenze im Bereich von 650 - 1000 MPa, eine Zugfestigkeit Rm im Bereich von 850 - 1050 MPa und eine Bruchdehnung A5 im Bereich von 2 - 8 % und bevorzugt im Bereich von 4 - 7 % eingestellt, ohne ein temperaturgeführtes Abkühlen zu verwenden. Dabei beeinflusst das abschließende Glühen vor allem die Bruchdehnung A5, sodass diese selektiv und breitbandig einstellbar ist. Die 0,2 %-Dehngrenze und die Zugfestigkeit Rm werden ausgehend von einem definierten Strangpresszustand insbesondere durch die Wahl des Umformgrades beim Kaltziehen gewählt.
  • Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich für zeitlich konstante Reibbelastungen ebenso wie aufgrund seiner besonderen Eigenschaften vor allem auch zur Herstellung eines Bauteils, auf das eine zeitlich variable Reibbelastung wirkt, wie beispielsweise eine Lagerbuchse für ein Lager einer Kolbenwelle, ein Gleitschuh oder ein hoch reibbelastetes Schneckenrad. Eine weitere mögliche Verwendung eines aus der Legierung hergestellten Bauteils stellt ein Axiallager für einen Turbolader dar. Eine zeitlich variable Reibbelastung kann auch zu einer Mangelschmierung führen, wobei der in der Legierung enthaltene Zinn-Gehalt Sorge dafür trägt, dass das einer derartigen Belastung ausgesetzte Bauteil auch den diesbezüglichen Anforderungen genügt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Fig.1:
    eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung mit 3000-facher Vergrößerung,
    Fig. 2:
    eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung mit 6000-facher Vergrößerung,
    Fig. 3:
    eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfindungsgemäßen Aluminiumbronzelegierung mit 9000-facher Vergrößerung.
  • Für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Legierungszusammensetzung erschmolzen und mittels eines vertikalen Stranggießens bei einer Gießtemperatur von 1170°C und einer Gießgeschwindigkeit von 60 mm/min bei einer Presstemperatur von 900°C warmumgeformt.
  • Die diesbezügliche Legierung hat folgende Zusammensetzung:
    Cu Zn Pb Sn Fe Mn Ni Al
    Rest 4,64 0,01 1,01 4,08 0,03 3,90 7,30
  • Die nach dem Abkühlen im Strangpresszustand vorliegende Versuchslegierung wurde mittels rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen und energiedispersen Analysen (EDX) charakterisiert, wobei nach dem Abkühlen der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Werkstoffzustand vorlag. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Aufnahmen mit Sekundärelektronenkontrast bei den Vergrößerungen 3000x und 6000x zeigen eine α-Phase, die die Legierungsmatrix bildet, und Hartphasenausscheidungen in Form von κII- und κIV-Phasen, die aus Eisen- und Nickelaluminiden bestehen und die sich vor allem an den Korngrenzen ablagern. Des Weiteren dokumentiert die in Figur 3 gezeigte Aufnahme mit einer 9000-fachen Vergrößerung, dass zusätzlich Hartphasenausscheidungen mit einer mittleren Größe von ≤ 0,2 µm vorliegen.
  • Für die α-Phase ergaben EDX-Messungen im Mittel eine chemische Zusammensetzung mit 84,2 Gew.-% Cu, 5,0 Gew.-%. Zn, 4,4 Gew.-%. Fe, 3,4 Gew.-%. Ni, 2,8 Gew.-%. Al und 0,1 Gew.-%. Si. Für die untersuchten κII-Phasen wurde im Strangpresszustand die mittlere Zusammensetzung 15,2 Gew.-% Cu, 2,4 Gew.-%. Zn, 67,6 Gew.-%. Fe, 9,4 Gew.-%. Ni, 4,7 Gew.-%. Al und 0,7 Gew.-%. Si gefunden. Ferner wurde der Anteil der intermetallischen Phasen mit 7 Vol.-% bestimmt während der β-Phasenanteil im Strangpresszustand unter 1 Vol.-% lag. Messungen der sich nach den nachfolgend dargestellten Kaltumformungs- und Wärmebehandlungsschritten ergebenden Werkstoffzustände ergaben keine Veränderung der Phasenzusammensetzung.
  • Zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften, ausgehend von dem im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung der Aluminiumbronzelegierung bestimmten Strangpresszustand, wurde ein Weichglühen bei 550°C und anschließend eine Kaltumformung in Form eines Streckziehens ausgeführt. Dabei wurden die weichgeglühten Zwischenprodukte in einem Seifenbad mit 50°C für das Kaltziehen vorbereitet. Als Prozessparameter wurden unterschiedliche Querschnittsminderungen (QM) von 8 - 25 % für das Streckziehen gewählt. In einem abschließenden Behandlungsschritt erfolgte ein Endglühen der umgeformten Aluminiumbronzeprodukte bei 380°C für 5 Stunden, wobei sich im Mittel die in Tabelle 1 zusammengefassten mechanischen Eigenschaften für die 0,2 %-Dehngrenze RP0,2, die Zugfestigkeit Rm, die Bruchdehnung A5, die Brinell-Härte HB und das Streckgrenzverhältnis ergaben:
    Zustand RP0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] HB 2,5/62,5 SV [%]
    Strangpresszustand 360 690 26 176 48,8
    Kaltumformung 8% QM 700 810 9,6 211 85,7
    Kaltumformung 15% QM 840 840 6,1 225 86,9
    Kaltumformung 20% QM 850 930 5,5 233 91,2
    Kaltumformung 25% QM 830 950 3,9 242 87,0
    Endglühen 380°C/5h (nach 8% QM) 830 870 5,9 250 95,1
    Endglühen 380°C/5h (nach 15% QM) 810 900 6,5 260 90,3
    Endglühen 380°C/5h (nach 20% QM) 850 930 5,5 275 91,2
    Endglühen 380°C/5h (nach 25% QM) 940 1000 2,5 291 94,1
  • Das Endglühen zur Einstellung des Endlegierungszustands der Aluminiumbronzeprodukte wurde für weitere Messreihen unterhalb der Weich- oder Lösungsglühtemperatur ausgeführt. Für die Versuche wurden bevorzugt Endglühtemperaturen im Bereich von 300 - 400°C gewählt, wobei in Kombination mit einer Variation der Abziehgrade der vorgeschalteten Kaltumformung eine große Bandbreite für die mechanischen Eigenschaften des Endlegierungszustands einstellbar ist, ohne aufwendige Maßnahmen zur temperaturgeführten Abkühlung anzuwenden.
  • Die Beschreibung der Erfindung, auch anhand des konkreten Ausführungsbeispiels macht deutlich, dass die besonderen, positiven Eigenschaften der beanspruchten Erfindung vor dem Hintergrund der Offenbarungen im Stand der Technik in dem engen beanspruchten Bereich der an der Legierung beteiligten Elemente nicht zu erwarten war. Es war daher überraschend für den Erfinder festzustellen, dass durch Einstellen der Legierungsparameter in dem beanspruchten Intervall gegenüber den aus vorbekannten Legierungen bekannten Daten derart verbessert sind. Dieses gilt auch im Hinblick auf die überraschend robuste Verarbeitbarkeit dieser Legierung zum Einstellen der gewünschten Festigkeitseigenschaften.

Claims (16)

  1. Aluminiumbronzelegierung mit
    7,0 - 10,0 Gew.-% Al;
    3,0 - 6,0 Gew.-% Fe;
    3,0 - 5,0 Gew.-% Zn;
    3,0 - 5,0 Gew.-% Ni;
    0,5 - 1,5 Gew.-% Sn;
    ≤ 0,2 Gew.-% Si;
    ≤ 0,1 Gew.-% Pb;
    und Rest Cu nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  2. Aluminiumbronzelegierung nach Anspruch 1 mit 7,0 - 7,8 Gew.-% Al;
    4,0 - 5,0 Gew.-% Fe;
    3,8 - 4,8 Gew.-% Zn;
    3,8 - 4,1 Gew.-% Ni;
    0,8 - 1,3 Gew.-% Sn;
    ≤ 0,2 Gew.-% Si;
    ≤ 0,1 Gew.-% Pb;
    und Rest Cu nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  3. Aluminiumbronzelegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Aluminium und Zink bezogen auf die Gewichtsanteile in der Aluminiumbronzelegierung in einem Bereich von 1,4 - 3,0 und besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 2,0 liegt.
  4. Aluminiumbronzeprodukt mit einer Legierungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Produkt durch ein einer Kaltumformung nachfolgendem zu einem Legierungsendzustand führenden Endglühen unterhalb der Lösungsglühtemperatur in einem Temperaturbereich von 300-500°C derart eingestellt wird, dass die 0,2 %-Dehngrenze RP0,2 im Bereich von 650 - 1000 MPa, die Zugfestigkeit Rm im Bereich von 850 - 1050 MPa und die Bruchdehnung A5 im Bereich von 2 - 8 % und bevorzugt im Bereich von 4 - 7 % liegen.
  5. Aluminiumbronzeprodukt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand das Streckgrenzverhältnis SV im Bereich von 85 - 97% liegt.
  6. Aluminiumbronzeprodukt nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand die Härte im Bereich von 250 - 300 HB 2,5/62,5 liegt.
  7. Aluminiumbronzeprodukt nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand eine α-Matrix mit einem maximalen β-Phasenanteil von 1 Vol.-% vorliegt.
  8. Aluminiumbronzeprodukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand die mittlere Korngröße der α-Matrix ≤ 50 µm ist.
  9. Aluminiumbronzeprodukt nach einem der Ansprüche 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand intermetallische κII und/oder κIV-Phasen mit Eisen- und/oder Nickelaluminiden vorliegen.
  10. Aluminiumbronzeprodukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand die intermetallischen κII und/oder κIV-Phasen eine längliche Form mit einer mittleren Länge von ≤10 µm und einem mittleren Volumen von ≤ 1,5 µm2 aufweisen.
  11. Aluminiumbronzeprodukt nach einem der Ansprüche 4 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Legierungsendzustand eine zusätzliche Aluminidausscheidung mit einer rundlichen Form und mit einer mittleren Größe von ≤ 0,2 µm vorliegt.
  12. Aluminiumbronzeprodukt nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt ein auf eine zeitlich variable Reibbelastung ausgelegtes Bauteil ist, insbesondere eine Lagerbuchse, ein Gleitschuh, ein Schneckenrad oder ein Axiallager für einen Turbolader.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Produktes aus einer Aluminiumbronze mit den Verfahrensschritten:
    - Herstellen eines Gussrohlings aus einer Schmelze mit den Legierungsbestandteilen
    7,0 - 10,0 Gew.-% Al;
    3,0 - 6,0 Gew.-% Fe;
    3,0 - 5,0 Gew.-% Zn;
    3,0 - 5,0 Gew.-% Ni;
    ≤ 0,2 % Gew.-% Si;
    ≤ 0,1 % Gew.-% Pb;
    und Rest Cu nebst unvermeidbaren Verunreinigungen;
    - Warmumformen des Gussrohlings zu einem Zwischenprodukt; Kaltumformen des Zwischenprodukts und
    - Endglühen des Produktes unterhalb der Lösungsglühtemperatur in einem Temperaturbereich von 300 - 500°C, wobei nach dem abschließenden Glühen die 0,2 %-Dehngrenze RP0,2 im Bereich von 650 - 1000 MPa, die Zugfestigkeit Rm im Bereich von 850-1050 MPa und die Bruchdehnung A5 im Bereich von 2 - 8 % und bevorzugt im Bereich von 4 - 7% liegen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze zur Herstellung des Gussrohlings folgende Zusammensetzung aufweist:
    7,0 - 7,8 Gew.-% Al;
    4,0 - 5,0 Gew.-% Fe;
    3,8 - 4,8 Gew.-% Zn;
    3,8 - 4,1 Gew.-% Ni;
    0,8 - 1,3 Gew.-% Sn;
    ≤ 0,2 % Gew.-% Si;
    ≤ 0,1 % Gew.-% Pb;
    und Rest Cu nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen als indirektes Strangpressen ausgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltumformen als Kaltziehen mit einem Umformgrad von 5 - 30% ausgeführt wird.
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