EP3423605B1 - Copper alloy containing tin, method for producing same, and use of same - Google Patents
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- 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 a tin-containing copper alloy with excellent hot and cold formability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance according to the preamble of one of claims 1 to 3, a method for their production according to the preamble of the claims 9 to 10 and their use according to the preamble of claims 16 to 18.
- copper-tin alloys Due to the alloy component tin, copper-tin alloys are characterized by high strength and hardness. The copper-tin alloys are also considered to be corrosion-resistant and seawater-resistant.
- This group of materials has a high level of resistance to abrasive wear.
- the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which results in their excellent suitability for sliding elements and sliding surfaces in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering.
- an addition of lead is added to the copper-tin alloys for plain bearing applications to improve the emergency running properties and the machinability.
- Copper-tin alloys are widely used in the electronics and telecommunications industries. They often have sufficient electrical conductivity and good to very good spring properties. The Adjustment of the spring properties requires sufficient cold formability of the materials.
- percussion instruments are preferably made from copper-tin alloys because of their special sound properties.
- the manufacture of these cymbals, also known as cymbals in technical parlance, requires the materials to be very hot-formable.
- two types of copper-tin alloys with 8 and 20% by weight of tin are widespread.
- the copper-tin materials have a particularly strong tendency to absorb gas with subsequent pore formation and segregation phenomena due to their wide solidification interval.
- the Sn-rich segregations can only be removed to a very limited extent with a homogenization annealing following the casting process.
- the susceptibility of copper-tin alloys to pores and segregation increases with increasing Sn content.
- the element phosphorus is added to the copper-tin alloys in order to sufficiently deoxidize the melt.
- phosphorus also extends the solidification interval of copper-tin alloys, which results in this group of materials being more susceptible to pores and segregation.
- the description of a process for the production of shaped pieces from copper-tin alloys which contain 6 to 14% by weight of Sn, over 0.1% by weight of P, preferably 0.2 to 0.4% by weight of P , which can be replaced by silicon, boron or beryllium.
- the copper-tin alloy has about 91.2% by weight Cu, about 8.5% by weight Sn and about 0.3% P. Accordingly, prior to final processing by cold forming or hot forming, the castings are homogenized at a temperature below 700 ° C. until the eutectoids enriched in tin and phosphorus dissolve.
- Vibrational friction wear also called fretting in technical terms, is frictional wear that occurs between oscillating contact surfaces.
- fretting In addition to the geometrical and / or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion.
- the material damage can significantly lower the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Vibration cracks can originate from the damaged component surface, leading to fatigue fracture / frictional fatigue failure. With fretting corrosion, the fatigue strength of a component can drop well below the fatigue strength of the material.
- the mechanism of vibratory frictional wear differs considerably from the types of sliding wear with unidirectional movement. In particular, the effects of corrosion are particularly pronounced during frictional wear.
- connection elements In motors and machines, electrical connectors are often arranged in an environment in which they are exposed to mechanical vibratory movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which move relative to one another as a result of mechanical loads, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to fretting wear and fretting of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. This can result in failure of the connector due to fatigue failure. Furthermore, there is an increase in contact resistance due to fretting corrosion.
- a contact material made of a silver, palladium or palladium-silver alloy with a content of 20 to 50% by weight tin, indium and / or antimony is applied to a carrier made of bronze, for example.
- the silver and / or palladium content ensures corrosion resistance.
- the oxides of tin, indium and / or antimony increase the wear resistance.
- Alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus achieves the lowering of the relatively high base melting temperature, which is important in terms of processing.
- the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the sharp reduction in the melting temperature of hard nickel-base alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-base alloys is possible.
- a particularly high P content of 0.2 to 0.6% by weight is specified with an Si content of the alloy of 0.05 to 0.15% by weight. This underlines the ostensible demand for the self-flowing properties of the material. With this high P content, however, the options for hot formability of the alloy will be severely limited.
- the silicon borides which are mostly in the form of the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and / or SiB n, which are determined by the boron content, differ significantly from silicon in their properties. These silicon borides have a metallic character, which is why they are electrically conductive. They have an extremely high temperature and oxidation resistance.
- the modification of SiB 6 which is preferred for sintered products, is used, for example, in ceramic production and processing because of its very high hardness and high abrasive wear resistance.
- the invention is based on the object of providing a copper-tin alloy which has excellent hot formability over the entire range of the tin content.
- a starting material can be used that was produced by conventional casting processes without the need to carry out spray compacting or thin strip casting.
- the copper-tin alloy should be free of gas and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the Sn-rich ⁇ -phase that is present depending on the Sn content of the alloy.
- the as-cast state of the copper-tin alloy does not necessarily have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot formability.
- Even the casting material should be characterized by high strength, high hardness and high corrosion resistance.
- a fine-grain structure with high strength, high hardness, high stress relaxation and corrosion resistance, high electrical conductivity and a high degree of complex wear resistance can be set by means of further processing that includes annealing or hot forming and / or cold forming with at least one annealing.
- the invention is represented by the features of one of claims 1 to 3, with regard to a production method by the features of claims 9 to 10 and with regard to a use by the features of claims 16 to 18.
- the further claims referring back relate to advantageous designs and developments of the invention.
- the structure Due to the uniform distribution of the Sn-rich ⁇ -phase in island form and / or in network form, the structure is free from Sn-rich segregations.
- Sn rich Segregation is understood to mean accumulations of the ⁇ -phase in the cast structure, which are designed as so-called reverse block segregation and / or grain boundary segregation, which cause damage to the structure in the form of cracks when the casting is subjected to thermal and / or mechanical stress, which can lead to breakage. After casting, the structure is still free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks.
- the alloy is in the as-cast state.
- the Sn-rich ⁇ phase is preferably at least 1% by volume.
- the Sn-rich ⁇ -phase is distributed evenly in the structure in an island-like and / or network-like and / or line-like stretched manner.
- the alloy is in a further processed state.
- the invention is based on the consideration that a tin-containing copper alloy is provided in the cast state as well as in the further processed state with Si-containing and B-containing phases, which are produced by means of sand casting, shell mold casting, investment casting, full mold casting, Die casting and permanent mold casting process or with the help of the continuous or semi-continuous continuous casting process can be produced.
- a tin-containing copper alloy is provided in the cast state as well as in the further processed state with Si-containing and B-containing phases, which are produced by means of sand casting, shell mold casting, investment casting, full mold casting, Die casting and permanent mold casting process or with the help of the continuous or semi-continuous continuous casting process can be produced.
- the use of process engineering complex and cost-intensive primary forming techniques is possible, but is not an absolute necessity for the production of the tin-containing copper alloy according to the invention.
- spray compacting can be dispensed with.
- the casting formats of the Tin-containing copper alloys according to the invention can be hot-formed over the entire range of the Sn content, for example by hot rolling, extrusion or forging. This largely removes the processing restrictions that previously existed in the manufacture of semi-finished products and components made of copper-tin alloys and which led to this group of materials being subdivided into Cu-Sn wrought alloys and Cu-Sn cast alloys.
- the matrix of the structure of the tin-containing copper alloy in the as-cast state consists of increasing proportions of ⁇ -phase (Sn-rich) in otherwise ⁇ -phase (Sn-poor) with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process.
- the shape of the arrangement of the ⁇ phase in the structure also changes. It has been found that in the Sn content range from 4.0 to 9.0% by weight, the ⁇ phase is distributed uniformly in the structure with up to 40% by volume, predominantly in island form. If the Sn content of the alloy is between 9.0 and 13.0% by weight, the island shape of the ⁇ phase, which is present in the structure with up to 60% by volume, changes into the network shape. This ⁇ network is also distributed very evenly in the structure of the alloy. In the Sn content range from 13.0 to 17.0% by weight, the ⁇ phase is almost exclusively in the form of a uniform network in the structure with up to 80% by volume. With an Sn content of the alloy of 17.0 to 23.0% by weight, the structural fraction of the ⁇ -phase arranged as a dense network in the structure is up to 98% by volume.
- the elements boron, silicon and phosphorus take on a deoxidizing function in the melt. This counteracts the formation of tin oxides in the tin-containing copper alloy.
- By adding boron and silicon it is possible to reduce the phosphorus content without reducing the intensity of the deoxidation of the melt. This measure succeeds in suppressing the adverse effects of adequate deoxidation of the melt by means of an addition of phosphorus.
- a high P content would also extend the already very large solidification interval of the tin-containing copper alloy, which would result in an increase in the susceptibility to pores and segregation of this type of material. In addition, an increased formation of the copper-phosphorus phase would be the result.
- This type of phase is considered to be one of the reasons for the hot brittleness of tin-containing copper alloys.
- the disadvantageous effects of the addition of phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy according to the invention to the range from 0.001 to 0.08% by weight.
- the elements boron and silicon are of particular importance in the tin-containing copper alloy according to the invention.
- the phases of the Si-B system already separate in the melt. These Si-B phases, known as silicon borides, can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n .
- the symbol "n" in the latter modification is based on the fact that boron has a high solubility in the silicon lattice.
- the Si-containing and B-containing phases which are designed as silicon borides, are referred to below as hard particles.
- they take on the function of crystallization nuclei during solidification and cooling. As a result, there is no longer the need to add so-called foreign nuclei to the melt, the even distribution of which in the melt can only be inadequately guaranteed.
- the as-cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the ⁇ -phase in the form of evenly and densely arranged islands and / or in the form of a uniformly dense network. Accumulations of the Sn-rich ⁇ -phase, which are formed as so-called reverse block segregation and / or as grain boundary segregation, cannot be observed in the cast structure of the invention.
- the elements boron, silicon and phosphorus cause a reduction in the metal oxides.
- the elements themselves are oxidized, rise to the surface of the castings and, as borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates, form a protective layer that protects the castings from gas absorption.
- borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates form a protective layer that protects the castings from gas absorption.
- Exceptionally smooth surfaces of the castings made of the alloy according to the invention were found, which indicate the formation of such a protective layer.
- the structure of the as-cast state of the invention was also free of gas pores over the entire cross-section of the cast parts.
- a basic idea of the invention consists in the transfer of the effect of borosilicates and phosphorus silicates with regard to the adjustment of the different thermal expansion coefficients of the joining partners during diffusion soldering to the processes during casting, hot forming and thermal treatment of the copper-tin materials. Because of the wide solidification interval of these alloys, large mechanical stresses occur between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich structural areas, which can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage features can also occur during hot forming and high-temperature annealing of the copper-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich structural components.
- the combined addition of boron, silicon and phosphorus to the tin-containing copper alloy according to the invention causes, on the one hand, a uniform structure with a fine distribution of the structural components with different Sn content during the solidification of the melt by means of the action of the hard particles as crystallization nuclei.
- the borosilicates, phosphorosilicates and / or borophosphosilicates that form during the solidification of the melt ensure the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich phases. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.
- the alloy according to the invention can be subjected to further processing by annealing or by hot forming and / or cold forming in addition to at least one annealing.
- the hard particles as crystallization nuclei, which together with the borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates bring about an equalization of the thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich phases, could also be observed during the process of hot forming of the tin-containing copper alloy according to the invention.
- the hard particles serve as seeds for dynamic recrystallization.
- the hard particles are to be made responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during the hot forming of the alloy according to the invention. This results in a further increase in the uniformity and fine-grainedness of the structure.
- the role of the hard particles as nuclei for the static recrystallization became apparent during the annealing treatment after cold forming.
- the outstanding function of the hard particles as nuclei for the static recrystallization manifested itself in the lowering of the necessary recrystallization temperature which has become possible, which additionally facilitates the establishment of a fine-grain structure of the alloy according to the invention.
- the level of the parameter R p0.2 is important for the sliding elements and guide elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, transmissions, exhaust gas aftertreatment systems, lever systems, brake systems and joint systems, hydraulic units or in machines and systems in general mechanical engineering. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.
- the Sn content of the invention ranges between 4.0 and 23.0 Wt%.
- a tin content of less than 4.0% by weight would result in too low strength values and hardness values.
- the running properties would be inadequate in the event of a sliding load.
- the resistance of the alloy to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements. If the Sn content exceeds 23.0% by weight, the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load-bearing capacity of the components made of the material is reduced.
- the alloy according to the invention Due to the precipitation of the hard particles, the alloy according to the invention has a hard phase component which, due to the high hardness of the silicon borides, contributes to an improvement in the material resistance to abrasive wear.
- the proportion of hard particles results in improved resistance to adhesive wear, since these phases show a low tendency to weld with a metallic counterpart when exposed to sliding stress. They thus serve as an important wear carrier in the tin-containing copper alloy according to the invention.
- the hard particles increase the heat resistance and the stress relaxation resistance of components from the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and for components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics / electrical engineering.
- borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates in the alloy according to the invention not only leads to a significant reduction in the pores and cracks in the structure.
- These silicate phases also take on the role of a wear-protecting and / or corrosion-protecting coating on the components.
- the alloy according to the invention thus ensures a combination of the properties of wear resistance and corrosion resistance. These The combination of properties leads to a high resistance to the mechanisms of sliding wear, as required, and to a high material resistance to fretting corrosion. In this way, the invention is excellently suited for use as a sliding element and plug connector, since it has a high degree of resistance to sliding wear and vibrational friction wear, known as fretting.
- the effect of the hard particles as crystallization nuclei and recrystallization nuclei, as wear carriers and the effect of the silicate phases for the purpose of corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0.05% by weight and the boron Content is at least 0.005% by weight.
- the Si content exceeds 2.0% by weight and / or the B content exceeds 0.6% by weight, this leads to a deterioration in the casting behavior.
- the excessively high content of hard particles would make the melt significantly more viscous.
- reduced toughness properties of the alloy according to the invention would be the result.
- the range for the Si content within the limits from 0.05 to 1.5% by weight and in particular from 0.5 to 1.5% by weight is rated as advantageous.
- the Si content is within the limits of 0.5 to 1.5% by weight.
- a content of 0.01 to 0.6% by weight is considered to be advantageous.
- the boron content of 0.1 to 0.6% by weight has proven to be particularly advantageous.
- the setting of a specific element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important.
- the Si / B ratio of the element contents (in% by weight) of the elements silicon and boron is the alloy according to the invention between 0.3 and 10.
- a Si / B ratio of 1 to 10 and furthermore from 1 to 6 has proven to be particularly advantageous.
- the precipitation of hard particles influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This fact also underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus has the effect that the melt is sufficiently thin despite the content of hard particles, which is of great importance for the castability of the invention.
- the phosphorus content of the alloy according to the invention is 0.001 to 0.08% by weight. A P content in the range from 0.001 to 0.05% by weight is advantageous.
- the sum of the element contents of the elements silicon, boron and phosphorus is advantageously at least 0.5% by weight.
- the hard particles in the regions of which, depending on the Sn content of the alloy, the element tin and / or the ⁇ phase is crystallized or precipitated, serve as chip breakers.
- the resulting short crumbling chips and / or tangled chips facilitate the machinability, which is why the semi-finished products and components made of the alloy according to the invention have better machinability.
- the Sn-rich ⁇ -phase is arranged uniformly in island form with up to 40% by volume.
- the element tin and / or the ⁇ -phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
- the castings of these embodiments have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C.
- the structure of the embodiments is very fine-grained after the hot forming. This results in very good cold formability with a degree of cold deformation ⁇ of over 40%.
- the hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours.
- This further processing step it is possible to set a structure with a grain size of up to 20 ⁇ m.
- the promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a grain size of up to 10 ⁇ m can be created.
- a multi-stage production process consisting of cold forming and annealing and / or by appropriately lowering the recrystallization temperature, it is even possible to set the size of the crystallites in the material structure to below 5 ⁇ m.
- the mechanical properties of some embodiments are representative of the entire range of alloy compositions and production parameters.
- the results of the investigation of corresponding exemplary embodiments described below make it clear that values for the tensile strength R m of over 700 to 800 MPa, values for the yield strength R p0.2 of over 600 to 700 MPa can be achieved.
- the toughness properties of the embodiments are at a very high level. This fact is expressed by the high values for the elongation at break A5.
- the structure of these embodiments of the invention is characterized by a content of the ⁇ phase of up to 60% by volume, this type of phase being evenly distributed in the structure in island form and network form.
- the element tin and / or the ⁇ -phase is mostly crystallized and / or encased in the areas of hard particles.
- the castings of these embodiments have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C.
- the structure of the embodiments is very fine-grained after hot forming. This results in very good cold formability, which is achieved through accelerated cooling after hot forming in air or in water and / or through an annealing treatment after the hot forming process at a temperature of 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes to 6 hours can be further improved.
- the structural feature of crystallization of the element tin and / or the ⁇ -phase in the areas of the hard particles and / or the coating of these hard particles with the element tin and / or the ⁇ -phase is more fully pronounced with regard to the as-cast state.
- the hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours.
- This further processing step it is possible to set a finer-grain structure.
- the promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a further reduced grain size can be produced.
- the fine-grain structure of the structure can be further optimized through a multi-stage production process consisting of cold forming and annealing.
- the ⁇ -phase in the cast structure of these embodiments of the invention is in the form of a uniformly arranged network with up to 80% by volume.
- the element tin and / or the ⁇ -phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
- the castings of these embodiments also have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C. It is precisely in this content range for the alloying element tin of 13.0 to 17.0% by weight that the conventional copper-tin alloys can only be thermoformed with great difficulty without the occurrence of hot cracks and hot fractures.
- the structure of the embodiments is in accordance with Hot forming very fine-grained. This results in very good cold formability, which results from the implementation of an accelerated cooling of the semi-finished products in air or in water after the hot forming and / or by an annealing treatment after the hot forming process at a temperature of 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes up to 6 hours can be further improved.
- the structural feature of crystallization of the element tin and / or the ⁇ -phase in the areas of the hard particles and / or the coating of these hard particles with the element tin and / or the ⁇ -phase is more fully pronounced with regard to the as-cast state.
- the hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours.
- This further processing step it is possible to set a structure with a grain size of up to 30 ⁇ m.
- the promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a grain size of up to 15 ⁇ m can be created.
- the network-like arrangement of the ⁇ -phase in the structure is retained.
- a very dense network of the ⁇ phase which is evenly arranged with up to 98% by volume in the structure, is a feature of these embodiments of the invention.
- the element tin and / or the ⁇ -phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
- the castings of these embodiments also have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C.
- the alloy element tin contributes in particular to the formation of a so-called tribo-layer between the sliding partners.
- This mechanism is particularly important under mixed friction conditions, when the emergency running properties of a material come to the fore.
- the tribo-layer leads to a reduction in the size of the purely metallic contact area between the sliding partners, which prevents the elements from welding or seizing.
- the hard particles precipitate in the structure. These hard phases protect the material from the consequences of abrasive wear and tear, that is, from material removal due to corrugation wear. Furthermore, the hard particles have a low tendency to weld with the metallic sliding partner, which is why, together with the complex tribo-layer, they ensure a high adhesive wear resistance of the invention.
- the hard particles bring about a higher temperature stability of the structure of the copper alloy according to the invention. This results in a high heat resistance and an improvement in the resistance of the material to stress relaxation.
- the cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
- the element zinc can be added to the tin-containing copper alloy according to the invention in a content of 0.1 to 2.0% by weight. It was found that, depending on the Sn content of the alloy, the alloy element zinc increases the proportion of Sn-rich phases in the invention, thereby increasing strength and hardness. However, no indications could be found that the addition of zinc has a positive effect on the uniformity of the structure and on the further reduction of the content of pores and cracks in the structure. Obviously, the influence of the combined alloy content of boron, silicon and phosphorus predominates. A strength- and hardness-increasing effect could not be observed below 0.1% by weight of Zn.
- the toughness properties of the alloy were reduced to a lower level.
- the tin-containing copper alloy of the present invention deteriorated in corrosion resistance.
- a zinc content in the range from 0.5 to 1.5% by weight can advantageously be added to the invention.
- the alloying elements iron and magnesium can be added individually or in combination.
- the alloy according to the invention can contain 0.01 to 0.6% by weight of iron.
- the Structures are thus up to 10 vol .-% Fe borides, Fe phosphides and Fe silicides and / or Fe-rich particles.
- addition compounds and / or mixed compounds of the Fe-containing phases and the Si-containing and B-containing phases in the structure contribute to increasing the strength, hardness, heat resistance, stress relaxation resistance, electrical conductivity and improving the resistance to abrasive and adhesive wear of the alloy. This improvement in properties is not achieved with an Fe content of less than 0.01% by weight. If the Fe content exceeds 0.6% by weight, there is a risk of the iron clustering in the structure. This would be associated with a significant deterioration in the processing properties and performance properties.
- the element magnesium can be added to the alloy according to the invention in an amount of from 0.01 to 0.5% by weight.
- up to 15% by volume of Mg borides, Mg phosphides as well as Cu-Mg phases and Cu-Sn-Mg phases are present in the structure.
- addition compounds and / or mixed compounds of the Mg-containing phases and the Si-containing and B-containing phases are formed in the structure. These phases and compounds also contribute to increasing the strength, hardness, heat resistance, stress relaxation resistance, electrical conductivity and improving the resistance to abrasive and adhesive wear of the alloy. If the Mg content is below 0.01% by weight, this improvement in properties is not achieved. If the Mg content exceeds 0.5% by weight, the castability of the alloy in particular deteriorates. In addition, the excessively high content of Mg-containing compounds would significantly impair the toughness properties of the alloy according to the invention.
- the tin-containing copper alloy can optionally contain a small amount of lead.
- Lead contents of up to a maximum of 0.25% by weight are still just acceptable and above the contamination limit.
- the tin-containing copper alloy is free of lead except for any unavoidable impurities.
- lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are envisaged.
- the extensive freedom of the structure from gas pores and shrinkage pores, voids, segregations and cracks in the as-cast state is regarded as a particular advantage of the invention.
- the alloy composition according to the invention in particular the formation of open porosity can be suppressed during the melting process, as a result of which the compressive strength of the sliding layer is increased.
- Another particular advantage of the invention is the elimination of the imperative to carry out a special primary molding technique such as spray compacting or thin strip casting to provide a uniform, largely pore-free and segregation-free structure.
- a special primary molding technique such as spray compacting or thin strip casting
- conventional casting processes can be used for the primary shaping process of the alloy according to the invention.
- one aspect of the invention includes a method for producing end products or components with a shape close to the end product from the tin-containing copper alloy according to the invention with the aid of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process or lost foam Procedure.
- one aspect of the invention includes a method for the production of strips, sheets, plates, bolts, round wires, profile wires, round bars, profile bars, hollow bars, tubes and profiles from a material according to the invention tin-containing copper alloy with the help of the permanent mold casting process or the continuous or semi-continuous continuous casting process.
- the invention no longer has the imperative to distribute or dissolve and thus eliminate the Sn-rich ⁇ phase in the structure by means of homogenization annealing or solution annealing, depending on the Sn content.
- the ⁇ phase which is evenly and finely distributed in the cast structure of the alloy according to the invention with a corresponding Sn content, assumes an essential function for the performance properties of the alloy.
- the further processing of the as-cast state can include performing at least one hot forming in the temperature range from 600 to 880.degree.
- the semi-finished products and components can be cooled after hot forming in calmed or accelerated air or with water.
- At least one annealing treatment of the as-cast state and / or the hot-formed state of the invention in the temperature range from 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calm or accelerated air or with water, can be carried out.
- One aspect of the invention relates to an advantageous method for further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state, which comprises performing at least one cold forming.
- At least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 200 to 880 ° C. for a duration of 10 minutes to 6 hours.
- Stress relief annealing / aging annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 200 to 650 ° C. for a period of 0.5 to 6 hours.
- the matrix of the uniform structure of the invention consists of a ductile ⁇ -phase with proportions of the ⁇ -phase depending on the Sn content of the alloy. Due to its high strength and hardness, the ⁇ phase leads to the alloy's high resistance to abrasive wear. In addition, due to its high Sn content, which results in its tendency to form a tribo-layer, the ⁇ phase increases the resistance of the material to adhesive wear.
- the hard particles are embedded in the metallic matrix.
- Fe and / or Mg-containing phases precipitated in the metallic base material are added.
- This heterogeneous structure consisting of a metallic base mass of ⁇ - and ⁇ -phase, in which precipitates of great hardness are embedded, gives the subject matter of the invention an outstanding combination of properties.
- the alloy according to the invention Due to the uniform and fine-grain structure with an extensive absence of pores, freedom from cracks and segregation and the content of hard particles, the alloy according to the invention has a high degree of strength, hardness, ductility, complex wear resistance and corrosion resistance even in the as-cast state. For this reason, the alloy according to the invention has a wide range of uses even in the as-cast state.
- composite bearing shells or composite bearing bushings can be produced by roll cladding, inductive or conductive roll cladding or by laser roll cladding getting produced.
- Sliding elements and guide elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, transmissions, exhaust gas aftertreatment systems, lever systems, brake systems and joint systems, hydraulic units or in machines and systems in general can already be made from casting formats in strip form, sheet metal form, plate form, bolt form, wire form, rod form, tube form or profile form Mechanical engineering are produced.
- semi-finished products and components with complicated geometry and increased mechanical properties and optimized wear properties can be produced for these purposes. This takes into account the increased component requirements in the event of dynamic loading.
- Another aspect of the invention includes a use of the tin-containing copper alloy according to the invention for components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics / electrical engineering.
- the invention is suitable for the metal objects in structures for the rearing of organisms living in seawater (aquaculture).
- Another aspect of the invention includes a use of the tin-containing copper alloy according to the invention for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding, for housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps, for idlers, impellers and paddle wheels for pumps and water turbines, for gears, worm wheels, helical gears as well as for pressure nuts and spindle nuts as well as for pipes, seals and Connecting bolts in the maritime and chemical industry.
- Basins in particular, so-called cymbals, of high quality are made from tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are usually brought into their final shape by means of a bell or a bowl. The basins are then annealed again before they are finally machined.
- the production of the different variants of the pools for example ride pools, hi-hats, crash pools, china pools, splash pools and effect pools, therefore requires a particularly advantageous hot formability of the material, which is ensured by the alloy according to the invention.
- Different structural proportions for the ⁇ phase and for the hard particles can be set within a very wide range within the range limits of the chemical composition of the invention. In this way, it is already possible on the alloy side to influence the sound of the cymbals.
- Table 1 shows the chemical composition of alloy variants 1 and 2. These materials are characterized by an Sn content of approx. 7% by weight, a P content of 0.015% by weight and a different element ratio of the elements silicon and boron and the remainder copper. ⁇ b> ⁇ u> Table 1: ⁇ /u> ⁇ /b> Chemical composition of working examples 1 and 2 Cu Sn P. Si B. 1 rest 7.18 0.015 0.66 0.26 2 rest 7.08 0.015 0.19 0.40
- the structure of exemplary embodiments 1 and 2 is characterized by a very uniform, mostly island-shaped distribution of a relatively small proportion of the ⁇ phase (approx. 15 to 20% by volume) and the hard particles.
- the structure of the as-cast state of alloy 1 is in Fig. 1 shown (200x magnification).
- the Sn-rich ⁇ -phase 1 can be seen, which is arranged uniformly like an island in the copper mixed crystal 3, which consists of the low-tin ⁇ -phase.
- the hard particles 2 can be seen, which are encased in tin and / or the Sn-rich ⁇ phase.
- the hardness of these types of alloys is 105 HB for the leg. 1 and at 98 HB for alloy 2 (Tab. 2).
- Tab. 3 shows the chemical composition of a further alloy variant 3.
- this material contains the other elements Si (0.77% by weight) and boron (0.20% by weight).
- the invention is characterized, inter alia, in that the structure in the as-cast state consists of increasing proportions of ⁇ -phase with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting / cooling process.
- the arrangement of this Sn-rich ⁇ -phase changes from a finely distributed island shape with an increase in the Sn content of the alloy into a dense network shape.
- the ⁇ phase is present with a significantly higher content (up to approx. 70% by volume).
- This structure goes out Fig. 3 in 200 times and off Fig. 4 in 500x magnification.
- the reference numeral 1 is in Fig. 4 the Sn-rich ⁇ -phase, which is arranged like a network in the structure, is characterized.
- the hard particles 2, which are coated by tin and / or the Sn-rich ⁇ phase can be seen.
- the structural component of the copper mixed crystal is labeled with the reference number 3.
- One aspect of the invention relates to a method for producing strips, sheets, plates, bolts, wires, rods, tubes and profiles from the tin-containing copper alloy according to the invention with the aid of the permanent mold casting process or the continuous or semi-continuous continuous casting process.
- the alloy according to the invention can also be subjected to further processing.
- this enables the production of specific and often complex geometries.
- the demand for an improvement of the complex operating properties of the materials, especially for components subject to wear and for structural and connecting elements in electronics / electrical engineering, is met, since it is a one in the corresponding machines, motors, gears, assemblies, constructions and systems strongly increasing stress on the system elements comes.
- a significant improvement in the toughness properties and / or a substantial increase in tensile strength R m , yield strength R p0.2 and hardness is achieved.
- the further processing of the as-cast state can advantageously include carrying out at least one hot forming in the temperature range from 600 to 880.degree. Plates, sheets and strips can be produced using hot rolling. Extrusion enables the production of wires, bars, tubes and profiles. Finally, forging processes are suitable for producing near-net-shape components with sometimes complex geometry.
- a further advantageous possibility of further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state comprises carrying out at least one cold forming.
- this process step in particular the material parameters R m , R p0.2 and the hardness are significantly increased. This is important for applications in which there is mechanical stress and / or intensive abrasive and adhesive wear and tear on the components.
- the spring properties of the components made of the alloy according to the invention are significantly improved as a result of cold forming.
- At least one annealing treatment can be carried out in a temperature range from 200 to 880 ° C. with a duration of 10 minutes to 6 hours.
- the resulting very fine-grained structure is an important prerequisite for producing the combination of properties of high strength and hardness and sufficient toughness of the material.
- an additional stress relief / aging anneal can advantageously be carried out in a temperature range from 200 to 650 ° C. with a duration of 0.5 to 6 hours.
- further processing can be selected that includes at least cold forming or a combination of at least one hot forming and at least one cold forming in connection with at least one annealing in a temperature range of 200 to 880 ° C with a duration of 10 Minutes to 6 hours and leads to a recrystallized structure of the alloy according to the invention.
- the fine-grain structure of the alloy adjusted in this way ensures a combination of high strength, high hardness and good toughness properties.
- a stress relief annealing treatment in the temperature range from 200 to 650 ° C with a duration of 0.5 to 6 hours can be carried out to reduce the internal stresses of the components.
- the corresponding blocks or semi-finished products were characterized by an exceptionally smooth surface.
- the hot-formed state of both alloy variants 1 and 2 exhibited excellent cold formability.
- the hot-rolled plates could be cold-rolled crack-free with a cold deformation ⁇ of approx. 70%.
- the strips of alloy variants 1 and 2 were annealed at 680 ° C. for 3 hours after the first cold rolling. The strips were then cold-rolled with a cold deformation ⁇ of approx. 60%. At the end of production, the strips were thermally relaxed at various temperatures between 280 and 400 ° C. The characteristic values of the resulting material conditions are listed in Tab. 7.
- embodiment 1 shows the higher strength values
- embodiment 2 is characterized by higher values for the electrical conductivity and for the elongation at break A5.
- Table 7 it can be seen that the structure of the strips relaxed at 280 ° C contain deformation features, which is why no value could be given for the grain size. At approx. 340 ° C, the structure begins to recrystallize, which leads to a sharp drop in strength and hardness.
- the annealing temperature after the first cold forming was reduced to 450 ° C. in production 3.
- the strips were cold-rolled with a cold deformation ⁇ of about 30%.
- the final two-hour stress-relieving annealing at temperatures between 240 and 360 ° C led to the characteristic values shown in Table 8.
- FIG Fig. 2 The structure at 500-fold magnification of the final state of the strip of exemplary embodiment 1, relaxed at 240 ° C./2 h, is shown in FIG Fig. 2 shown.
- the fine-grain structure with the hard particles 2, which are embedded in the copper mixed crystal 3, can be seen.
- the hard particles are coated with tin and / or the Sn-rich ⁇ -phase 1.
- the tapes of embodiment 3 of the invention were produced according to the production program that emerges from Tab. 9.
- the hot-rolling of the chill casting formats took place at a temperature of 750 ° C with subsequent cooling in calm air and in water.
- the advantage of accelerated cooling of the hot-formed semi-finished product in water is expressed in the better cold formability.
- the hot-rolled and water-quenched strip can then be cold-rolled with a cold deformation ⁇ of 24%.
- the strip that was cooled in air after hot rolling only allows cold rolling with a cold deformation ⁇ of approx. 5%.
- the structure of the tape 3-A was finally heat-treated with the parameters 500 ° C / 3h + air and 600 ° C / 3h + air and is in FIGS. 5 and 6 shown.
- the copper mixed crystal 3, which consists of a low-tin ⁇ phase can be seen.
- the structure of the strip 3-A is coarse-grained ( Fig. 6 ).
- the Sn-rich ⁇ phase 1 and the hard particles 2 are embedded in the copper mixed crystal 3.
- the strip 3-B was subjected to further processing with several cold rolling / annealing cycles.
- the characteristic values of the final states relaxed at different temperatures are listed in Tab. 11.
- the alloy according to the invention has excellent castability and hot formability over the entire range of Sn content from 4 to 23% Sn.
- the cold formability is also at a high level.
- the ductility of the invention naturally deteriorates with increasing Sn content.
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Description
Die Erfindung betrifft eine zinnhaltige Kupferlegierung mit ausgezeichneter Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 1 bis 3, ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 9 bis 10 sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 16 bis 18.The invention relates to a tin-containing copper alloy with excellent hot and cold formability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance according to the preamble of one of
Aufgrund der Legierungskomponente Zinn zeichnen sich Kupfer-Zinn-Legierungen durch eine hohe Festigkeit und Härte aus. Weiterhin gelten die Kupfer-Zinn-Legierungen als korrosionsfest sowie meerwasserbeständig.Due to the alloy component tin, copper-tin alloys are characterized by high strength and hardness. The copper-tin alloys are also considered to be corrosion-resistant and seawater-resistant.
Diese Werkstoffgruppe verfügt über eine hohe Beständigkeit gegenüber dem abrasiven Verschleiß. Außerdem gewährleisten die Kupfer-Zinn-Legierungen gute Gleiteigenschaften und eine hohe Dauerschwingfestigkeit, woraus sich ihre hervorragende Eignung für Gleitelemente und Gleitflächen im Motoren- und Fahrzeugbau sowie im allgemeinen Maschinenbau ergibt. Häufig wird den Kupfer-Zinn-Legierungen für Gleitlageranwendungen zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften und der Zerspanbarkeit ein Zusatz an Blei zugegeben.This group of materials has a high level of resistance to abrasive wear. In addition, the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which results in their excellent suitability for sliding elements and sliding surfaces in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering. Often, an addition of lead is added to the copper-tin alloys for plain bearing applications to improve the emergency running properties and the machinability.
Kupfer-Zinn-Legierungen finden eine breite Verwendung in der Elektronik- und Telekommunikationsindustrie. Sie besitzen eine häufig noch ausreichende elektrische Leitfähigkeit sowie gute bis sehr gute Federeigenschaften. Die Einstellung der Federeigenschaften setzt eine ausreichende Kaltumformbarkeit der Werkstoffe voraus.Copper-tin alloys are widely used in the electronics and telecommunications industries. They often have sufficient electrical conductivity and good to very good spring properties. The Adjustment of the spring properties requires sufficient cold formability of the materials.
In der Musikindustrie werden bevorzugt Schlaginstrumente aus Kupfer-Zinn-Legierungen aufgrund ihrer besonderen Klangeigenschaften hergestellt. Die Herstellung dieser Becken, im Fachsprachgebrauch auch als Cymbals bezeichnet, erfordert eine sehr gute Warmumformbarkeit der Werkstoffe. Verbreitet sind insbesondere zwei Typen der Kupfer-Zinn-Legierungen mit 8 und 20 Gew.-% Zinn.In the music industry, percussion instruments are preferably made from copper-tin alloys because of their special sound properties. The manufacture of these cymbals, also known as cymbals in technical parlance, requires the materials to be very hot-formable. In particular, two types of copper-tin alloys with 8 and 20% by weight of tin are widespread.
Beim ersten Herstellungsschritt, dem Gießen, neigen die Kupfer-Zinn-Werkstoffe aufgrund ihres breiten Erstarrungsintervalls besonders stark zu einer Gasaufnahme mit nachfolgender Porenbildung und zu Seigerungserscheinungen. Die Sn-reichen Seigerungen können nur sehr begrenzt mit einer dem Gießprozess folgenden Homogenisierungsglühung beseitigt werden. Die Poren- und Seigerungsanfälligkeit der Kupfer-Zinn-Legierungen verstärkt sich mit steigendem Sn-Gehalt.In the first manufacturing step, casting, the copper-tin materials have a particularly strong tendency to absorb gas with subsequent pore formation and segregation phenomena due to their wide solidification interval. The Sn-rich segregations can only be removed to a very limited extent with a homogenization annealing following the casting process. The susceptibility of copper-tin alloys to pores and segregation increases with increasing Sn content.
Das Element Phosphor wird den Kupfer-Zinn-Legierungen zugegeben, um die Schmelze ausreichend zu desoxidieren. Allerdings erweitert Phosphor das Erstarrungsintervall von Kupfer-Zinn-Legierungen zusätzlich, woraus sich eine erhöhte Poren- und Seigerungsanfälligkeit dieser Werkstoffgruppe ergibt.The element phosphorus is added to the copper-tin alloys in order to sufficiently deoxidize the melt. However, phosphorus also extends the solidification interval of copper-tin alloys, which results in this group of materials being more susceptible to pores and segregation.
Aus diesem Grunde wird in den Druckschriften
In der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Die Bedeutung von Kristallisationskeimen für die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges mit einem niedrigen Anteil von Sn-reichen Seigerungen für die Warmumformbarkeit von Sn-haltigen Kupferlegierungen wird in den Druckschriften
Infolge steigender Betriebstemperaturen und -drücke in modernen Motoren, Maschinen, Anlagen und Aggregaten treten die verschiedensten Mechanismen der Schädigung der einzelnen Systemelemente auf. So besteht immer mehr die Notwendigkeit, insbesondere bei der werkstoffseitigen und konstruktiven Auslegung von Gleitelementen und Steckverbindern, neben den Arten des Gleitverschleißes auch den Mechanismus der Schwingreibverschleißschädigung zu berücksichtigen.As a result of increasing operating temperatures and pressures in modern engines, Machines, systems and aggregates have the most varied mechanisms of damage to the individual system elements. So there is an increasing need to take into account not only the types of sliding wear but also the mechanism of vibrational frictional wear damage, especially in the material-related and structural design of sliding elements and connectors.
Der Schwingreibverschleiß, in der Fachsprache auch fretting genannt, ist ein Reibverschleiß, der zwischen oszillierenden Kontaktflächen auftritt. Zusätzlich zum Geometrie- und/oder Volumenverschleiß der Bauteile kommt es durch die Reaktion mit dem Umgebungsmedium zur Reibkorrosion. Die Werkstoffschädigungen können die örtliche Festigkeit in der Verschleißzone, insbesondere die Schwingfestigkeit deutlich absenken. Von der geschädigten Bauteiloberfläche können Schwinganrisse ausgehen, die zum Schwingbruch/Reibdauerbruch führen. Unter Reibkorrosion kann die Schwingfestigkeit eines Bauteils deutlich unter den Dauerfestigkeitskennwert des Werkstoffes abfallen.Vibrational friction wear, also called fretting in technical terms, is frictional wear that occurs between oscillating contact surfaces. In addition to the geometrical and / or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion. The material damage can significantly lower the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Vibration cracks can originate from the damaged component surface, leading to fatigue fracture / frictional fatigue failure. With fretting corrosion, the fatigue strength of a component can drop well below the fatigue strength of the material.
Der Schwingreibverschleiß unterscheidet sich in seinem Mechanismus erheblich von den Arten des Gleitverschleißes mit einsinniger Bewegung. Insbesondere sind die Korrosionseinflüsse beim Schwingreibverschleiß besonders ausgeprägt.The mechanism of vibratory frictional wear differs considerably from the types of sliding wear with unidirectional movement. In particular, the effects of corrosion are particularly pronounced during frictional wear.
Aus der Druckschrift
In Motoren und Maschinen sind elektrische Steckverbinder häufig in einer Umgebung angeordnet, in welcher sie mechanischen Schwingungsbewegungen ausgesetzt sind. Befinden sich die Elemente einer Verbindungsanordnung an unterschiedlichen Baugruppen, die infolge von mechanischen Belastungen Relativbewegungen zueinander durchführen, so kann es zu einer entsprechenden Relativbewegung der Verbindungselemente kommen. Diese Relativbewegungen führen zu einem Schwingreibverschleiß und zu einer Reibkorrosion der Kontaktzone der Steckverbinder. In dieser Kontaktzone bilden sich Mikrorisse, wodurch sich die Dauerschwingfestigkeit des Steckverbinderwerkstoffes stark reduziert. Ein Ausfall des Steckverbinders durch Dauerbruch kann die Folge sein. Weiterhin kommt es aufgrund der Reibkorrosion zu einem Anstieg des Kontaktwiderstandes.In motors and machines, electrical connectors are often arranged in an environment in which they are exposed to mechanical vibratory movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which move relative to one another as a result of mechanical loads, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to fretting wear and fretting of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. This can result in failure of the connector due to fatigue failure. Furthermore, there is an increase in contact resistance due to fretting corrosion.
Zur Verminderung dieser Schädigungsformen wird in der Druckschrift
In der Druckschrift
Entscheidend für eine hinreichende Beständigkeit gegen Schwingreibverschleiß/ Reibkorrosion ist demnach eine Kombination der Werkstoffeigenschaften Verschleißbeständigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit.A combination of the material properties of wear resistance, ductility and corrosion resistance is therefore decisive for adequate resistance to fretting / fretting.
In der Druckschrift
Durch das Legieren mit Metalloiden wie beispielsweise Bor, Silicium und Phosphor gelingt die verarbeitungstechnisch wichtige Erniedrigung der relativ hohen Basisschmelztemperatur. In den Beschichtungs- und Hochtemperaturwerkstoffen der Systeme Ni-Si-B und Ni-Cr-Si-B sind besonders die Legierungselemente Bor und Silicium für die starke Absenkung der Schmelztemperatur von Nickelbasishartlegierungen verantwortlich zu machen, weshalb ihre Verwendung als selbstfließende Nickelbasishartlegierungen möglich wird.Alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus achieves the lowering of the relatively high base melting temperature, which is important in terms of processing. In the coating and high-temperature materials of the Ni-Si-B and Ni-Cr-Si-B systems, the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the sharp reduction in the melting temperature of hard nickel-base alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-base alloys is possible.
Die Erniedrigung der Basisschmelztemperatur durch das Hinzulegieren von Bor wird für Kupfer-Zinn-Werkstoffe genutzt, die als Auftragsschweißmaterial Verwendung finden. So wird in der Druckschrift
In der Druckschrift
In der Auslegeschrift
Die zumeist in den vom Bor-Gehalt bestimmt Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und/oder SiBn vorliegenden Siliciumboride unterscheiden sich in ihren Eigenschaften wesentlich vom Silicium. Diese Siliciumboride besitzen einen metallischen Charakter, weshalb sie elektrisch leitend sind. Sie besitzen eine außerordentlich hohe Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit. Die bevorzugt für Sinterprodukte eingesetzte Modifikation des SiB6 wird wegen ihrer sehr hohen Härte und ihres hohen abrasiven Verschleißwiderstandes beispielsweise in der Keramikherstellung und Keramikbearbeitung eingesetzt.The silicon borides, which are mostly in the form of the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and / or SiB n, which are determined by the boron content, differ significantly from silicon in their properties. These silicon borides have a metallic character, which is why they are electrically conductive. They have an extremely high temperature and oxidation resistance. The modification of SiB 6 , which is preferred for sintered products, is used, for example, in ceramic production and processing because of its very high hardness and high abrasive wear resistance.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Zinn-Legierung bereitzustellen, die über den gesamten Bereich des Zinn-Gehaltes eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit aufweist.The invention is based on the object of providing a copper-tin alloy which has excellent hot formability over the entire range of the tin content.
Für die Warmumformung kann ein Vormaterial eingesetzt werden, das ohne die zwingende Notwendigkeit der Durchführung des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens mittels konventioneller Gießverfahren hergestellt wurde.For hot forming, a starting material can be used that was produced by conventional casting processes without the need to carry out spray compacting or thin strip casting.
Die Kupfer-Zinn-Legierung sollte frei von Gas- und Schwindungsporen sowie Spannungsrissen und durch ein Gefüge mit gleichmäßiger Verteilung der in Abhängigkeit vom Sn-Gehalt der Legierung vorhandener Sn-reichen δ-Phase gekennzeichnet sein. Der Gusszustand der Kupfer-Zinn-Legierung muss nicht zwingend erst mittels einer geeigneten Glühbehandlung homogenisiert werden, um eine hinreichende Warmumformbarkeit herstellen zu können. Schon das Gussmaterial sollte sich durch eine hohe Festigkeit, eine hohe Härte und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Mittels einer Weiterverarbeitung, die eine Glühung oder eine Warmumformung und/oder Kaltumformung mit zumindest einer Glühung umfasst, ist ein feinkörniges Gefüge mit hoher Festigkeit, hoher Härte, hoher Spannungsrelaxations- und Korrosionsbeständigkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie mit einem hohen Maß an komplexer Verschleißbeständigkeit einzustellen.The copper-tin alloy should be free of gas and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the Sn-rich δ-phase that is present depending on the Sn content of the alloy. The as-cast state of the copper-tin alloy does not necessarily have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot formability. Even the casting material should be characterized by high strength, high hardness and high corrosion resistance. A fine-grain structure with high strength, high hardness, high stress relaxation and corrosion resistance, high electrical conductivity and a high degree of complex wear resistance can be set by means of further processing that includes annealing or hot forming and / or cold forming with at least one annealing.
Die Erfindung wird bezüglich einer Kupfer-Zinn-Legierung durch die Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 3, bezüglich eines Herstellungsverfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 9 bis 10 und bezüglich einer Verwendung durch die Merkmale der Ansprüche 16 bis18 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.With regard to a copper-tin alloy, the invention is represented by the features of one of
Die Erfindung schließt eine hochfeste zinnhaltige Kupferlegierung ein, mit ausgezeichneter Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,5
bis 1,5 % Si, - 0,005 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- wahlweise noch bis maximal 2,0 % Zn,
- wahlweise noch bis maximal 0,6 % Fe,
- wahlweise noch bis maximal 0,5 % Mg,
- wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
- wobei das Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor zwischen 0,3 und 10 liegt.
- 4.0 to 23.0% Sn,
- 0.5 to 1.5% Si,
- 0.005 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- optionally up to a maximum of 2.0% Zn,
- optionally up to a maximum of 0.6% Fe,
- optionally up to a maximum of 0.5% Mg,
- optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
- Remainder copper and unavoidable impurities,
- the Si / B ratio of the element contents of the elements silicon and boron being between 0.3 and 10.
Außerdem schließt die Erfindung eine hochfeste zinnhaltige Kupfergusslegierung ein, mit ausgezeichneter Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,005 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- wahlweise noch bis maximal 2,0 % Zn,
- wahlweise noch bis maximal 0,6 % Fe,
- wahlweise noch bis maximal 0,5 % Mg,
- wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor zwischen 0,3 und 10 liegt;
- dass nach dem Gießen in der Legierung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
- a) 1 bis zu 98 Volumen-% Sn-reiche δ-Phase,
- b) 1 bis zu 20 Volumen-% Si-haltige und B-haltige Phasen,
- c) Rest Kupfer-Mischkristall, bestehend aus zinnarmer α-Phase,
- dass beim Gießen die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliciumboride ausgebildet sind, Keime für eine gleichmäßige Kristallisation während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze darstellen, so dass die Sn-reiche δ-Phase inselartig und/oder netzartig gleichmäßig im Gefüge verteilt ist;
- dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten die Rolle eines verschleißschützenden und/oder korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
- 4.0 to 23.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.005 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- optionally up to a maximum of 2.0% Zn,
- optionally up to a maximum of 0.6% Fe,
- optionally up to a maximum of 0.5% Mg,
- optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
- Remainder copper and unavoidable impurities,
- characterized,
- that the Si / B ratio of the element contents of the elements silicon and boron is between 0.3 and 10;
- that the following structural components are present in the alloy after casting:
- a) 1 up to 98 volume% Sn-rich δ-phase,
- b) 1 up to 20% by volume Si-containing and B-containing phases,
- c) remainder of copper mixed crystal, consisting of low-tin α-phase,
- that during casting, the Si-containing and B-containing phases, which are designed as silicon borides, represent nuclei for uniform crystallization during the solidification / cooling of the melt, so that the Sn-rich δ phase is island-like and / or network-like evenly in the structure is distributed;
- that the Si-containing and B-containing phases, which are designed as borosilicates and / or borophosphosilicates, together with the phosphorus silicates, take on the role of a wear-protecting and / or corrosion-protecting coating on the semi-finished products and components of the alloy.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Sn-reichen δ-Phase in Inselform und/oder in Netzform ist das Gefüge frei von Sn-reichen Seigerungen. Unter derartigen Sn-reichen Seigerungen werden Ansammlungen der δ-Phase im Gussgefüge verstanden, die als sogenannte umgekehrte Blockseigerungen und/oder Korngrenzenseigerungen ausgebildet sind, welche bei thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung des Gussstückes eine Schädigung des Gefüges in Form von Rissen verursachen, die zum Bruch führen können. Dabei ist das Gefüge nach dem Gießen weiterhin frei von Gasporen und Schwindungsporen sowie Spannungsrissen.Due to the uniform distribution of the Sn-rich δ-phase in island form and / or in network form, the structure is free from Sn-rich segregations. Among such Sn rich Segregation is understood to mean accumulations of the δ-phase in the cast structure, which are designed as so-called reverse block segregation and / or grain boundary segregation, which cause damage to the structure in the form of cracks when the casting is subjected to thermal and / or mechanical stress, which can lead to breakage. After casting, the structure is still free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks.
Bei dieser Variante liegt die Legierung im Gusszustand vor.In this variant, the alloy is in the as-cast state.
Des Weiteren schließt die Erfindung eine hochfeste zinnhaltige Kupferlegierung im weiterverarbeiteten Zustand ein, mit ausgezeichneter Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,005 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- wahlweise noch bis maximal 2,0 % Zn,
- wahlweise noch bis maximal 0,6 % Fe,
- wahlweise noch bis maximal 0,5 % Mg,
- wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor zwischen 0,3 und 10 liegt;
- dass nach der Weiterverarbeitung der Legierung durch zumindest eine Glühung oder durch zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung in der Legierung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
- a) bis zu 75 Volumen-% Sn-reiche δ-Phase,
- b) 1 bis zu 20 Volumen-% Si-haltige und B-haltige Phasen,
- c) Rest Kupfer-Mischkristall, bestehend aus zinnarmer α-Phase,
- dass die enthaltenen Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliciumboride ausgebildet sind, Keime für eine statische und dynamische Rekristallisation des Gefüges während der Weiterverarbeitung der Legierung darstellen, wodurch die Einstellung eines gleichmäßigen und feinkörnigen Gefüges ermöglicht wird;
- dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten die Rolle eines verschleißschützenden und/oder korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
- 4.0 to 23.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.005 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- optionally up to a maximum of 2.0% Zn,
- optionally up to a maximum of 0.6% Fe,
- optionally up to a maximum of 0.5% Mg,
- optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
- Remainder copper and unavoidable impurities,
- characterized,
- that the Si / B ratio of the element contents of the elements silicon and boron is between 0.3 and 10;
- that after further processing of the alloy through at least one annealing or at least one hot forming and / or cold forming in addition to at least one annealing in the alloy, the following structural components are present:
- a) up to 75% by volume Sn-rich δ-phase,
- b) 1 up to 20% by volume Si-containing and B-containing phases,
- c) remainder of copper mixed crystal, consisting of low-tin α-phase,
- that the contained Si-containing and B-containing phases, which are designed as silicon borides, represent nuclei for a static and dynamic recrystallization of the structure during the further processing of the alloy, whereby the setting of a uniform and fine-grain structure is made possible;
- that the Si-containing and B-containing phases, which are designed as borosilicates and / or borophosphosilicates, together with the phosphorus silicates, take on the role of a wear-protecting and / or corrosion-protecting coating on the semi-finished products and components of the alloy.
Bevorzugt beträgt die Sn-reiche δ-Phase zumindest 1 Volumen-%.The Sn-rich δ phase is preferably at least 1% by volume.
Im weiterverarbeiteten Zustand ist die Sn-reiche δ-Phase inselartig und/oder netzartig und/oder zeilenartig verstreckt gleichmäßig im Gefüge verteilt.
Bei dieser Variante liegt die Legierung im weiterverarbeiteten Zustand vor.In the further processed state, the Sn-rich δ-phase is distributed evenly in the structure in an island-like and / or network-like and / or line-like stretched manner.
In this variant, the alloy is in a further processed state.
Die Erfindung geht dabei bei den Legierungsvarianten von der Überlegung aus, dass eine zinnhaltige Kupferlegierung im Gusszustand wie auch im weiterverarbeiteten Zustand mit Si-haltigen und B-haltigen Phasen bereitgestellt wird, die mittels des Sandguss-, Maskenformguss-, Feinguss-, Vollformguss-, Druckguss- und Kokillengussverfahrens oder mit Hilfe des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Stranggussverfahrens hergestellt werden kann. Der Einsatz von prozesstechnisch aufwendigen und kostenintensiven Urformtechniken ist zwar möglich, stellt aber für die Herstellung der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung keine zwingende Notwendigkeit dar. So kann beispielsweise auf die Verwendung des Sprühkompaktierens verzichtet werden. Die Gussformate der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung können über den gesamten Bereich des Sn-Gehaltes beispielsweise durch Warmwalzen, Strangpressen oder Schmieden warmumgeformt werden. Somit werden die verarbeitungstechnischen Einschränkungen weitgehend aufgehoben, die bislang bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen aus Kupfer-Zinn-Legierungen bestanden und die zu der Unterteilung dieser Werkstoffgruppe in Cu-Sn-Knetlegierungen und Cu-Sn-Gusslegierungen geführt haben.In the case of the alloy variants, the invention is based on the consideration that a tin-containing copper alloy is provided in the cast state as well as in the further processed state with Si-containing and B-containing phases, which are produced by means of sand casting, shell mold casting, investment casting, full mold casting, Die casting and permanent mold casting process or with the help of the continuous or semi-continuous continuous casting process can be produced. The use of process engineering complex and cost-intensive primary forming techniques is possible, but is not an absolute necessity for the production of the tin-containing copper alloy according to the invention. For example, the use of spray compacting can be dispensed with. The casting formats of the Tin-containing copper alloys according to the invention can be hot-formed over the entire range of the Sn content, for example by hot rolling, extrusion or forging. This largely removes the processing restrictions that previously existed in the manufacture of semi-finished products and components made of copper-tin alloys and which led to this group of materials being subdivided into Cu-Sn wrought alloys and Cu-Sn cast alloys.
Die Matrix des Gefüges der zinnhaltigen Kupferlegierung im Gusszustand besteht mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung, abhängig vom Gießprozess, aus zunehmenden Anteilen an δ-Phase (Sn-reich) in sonst α-Phase (Sn-arm).The matrix of the structure of the tin-containing copper alloy in the as-cast state consists of increasing proportions of δ-phase (Sn-rich) in otherwise α-phase (Sn-poor) with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process.
Mit steigendem Sn-Gehalt der erfindungsgemäßen Legierung nimmt nicht nur der Anteil der δ-Phase im Gefüge zu, sondern es ändert sich auch die Form der Anordnung der δ-Phase im Gefüge. So ist festgestellt worden, dass im Bereich des Sn-Gehaltes von 4,0 bis 9,0 Gew.-% die δ-Phase mit bis zu 40 Vol.-% überwiegend in Inselform gleichmäßig im Gefüge verteilt ist. Beträgt der Sn-Gehalt der Legierung zwischen 9,0 und 13,0 Gew.-%, so geht die Inselform der δ-Phase, die mit bis zu 60 Vol.-% im Gefüge vorhanden ist, in die Netzform über. Dieses δ-Netz ist ebenfalls sehr gleichmäßig im Gefüge der Legierung verteilt. Im Bereich des Sn-Gehaltes von 13,0 bis 17,0 Gew.-% liegt die ö-Phase mit bis zu 80 Vol.-% nahezu ausschließlich in Form eines gleichmäßigen Netzes im Gefüge vor. Bei einem Sn-Gehalt der Legierung von 17,0 bis 23,0 Gew.-% beträgt der Gefügeanteil der als dichtes Netz im Gefüge angeordneten δ-Phase bis zu 98 Vol.-%.With an increasing Sn content of the alloy according to the invention, not only does the proportion of the δ phase in the structure increase, but the shape of the arrangement of the δ phase in the structure also changes. It has been found that in the Sn content range from 4.0 to 9.0% by weight, the δ phase is distributed uniformly in the structure with up to 40% by volume, predominantly in island form. If the Sn content of the alloy is between 9.0 and 13.0% by weight, the island shape of the δ phase, which is present in the structure with up to 60% by volume, changes into the network shape. This δ network is also distributed very evenly in the structure of the alloy. In the Sn content range from 13.0 to 17.0% by weight, the δ phase is almost exclusively in the form of a uniform network in the structure with up to 80% by volume. With an Sn content of the alloy of 17.0 to 23.0% by weight, the structural fraction of the δ-phase arranged as a dense network in the structure is up to 98% by volume.
Mittels des kombinierten Gehaltes an Bor, Silicium und Phosphor werden verschiedene Vorgänge in der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung aktiviert, die deren Erstarrungsverhalten im Vergleich zu den Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zinn-Phosphor-Legierungen maßgeblich verändern.By means of the combined content of boron, silicon and phosphorus, various processes are activated in the melt of the alloy according to the invention, which significantly change its solidification behavior compared to the copper-tin and copper-tin-phosphorus alloys.
Die Elemente Bor, Silicium und Phosphor übernehmen in der Schmelze eine desoxidierende Funktion. Somit wird der Bildung von Zinnoxiden in der zinnhaltigen Kupferlegierung entgegengewirkt. Durch die Zugabe von Bor und Silicium ist es möglich, den Gehalt an Phosphor abzusenken, ohne dabei die Intensität der Desoxidation der Schmelze zu erniedrigen. Anhand dieser Maßnahme gelingt eine Zurückdrängung der nachteiligen Auswirkungen einer ausreichenden Desoxidation der Schmelze mittels eines Phosphor-Zusatzes. So würde ein hoher P-Gehalt das ohnehin schon sehr große Erstarrungsintervall der zinnhaltigen Kupferlegierung zusätzlich erweitern, wodurch sich eine Erhöhung der Porenanfälligkeit und Seigerungsanfälligkeit dieses Werkstofftyps ergeben würde. Außerdem wäre eine verstärkte Bildung der Kupfer-Phosphor-Phase die Folge. Diese Phasenart wird als eine Ursache für die Warmbrüchigkeit der zinnhaltigen Kupferlegierungen betrachtet. Die nachteiligen Auswirkungen des Zusatzes von Phosphor werden durch die Begrenzung des P-Gehaltes in der erfindungsgemäßen Legierung auf den Bereich von 0,001 bis 0,08 Gew.-% vermindert.The elements boron, silicon and phosphorus take on a deoxidizing function in the melt. This counteracts the formation of tin oxides in the tin-containing copper alloy. By adding boron and silicon, it is possible to reduce the phosphorus content without reducing the intensity of the deoxidation of the melt. This measure succeeds in suppressing the adverse effects of adequate deoxidation of the melt by means of an addition of phosphorus. A high P content would also extend the already very large solidification interval of the tin-containing copper alloy, which would result in an increase in the susceptibility to pores and segregation of this type of material. In addition, an increased formation of the copper-phosphorus phase would be the result. This type of phase is considered to be one of the reasons for the hot brittleness of tin-containing copper alloys. The disadvantageous effects of the addition of phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy according to the invention to the range from 0.001 to 0.08% by weight.
Die Elemente Bor und Silicium besitzen in der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung eine besondere Bedeutung. Bereits in der Schmelze scheiden sich die Phasen des Systems Si-B aus. Diese als Siliciumboride benannten Si-B-Phasen können in den Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und SiBn vorliegen. Das Symbol "n" in der letztgenannten Modifikation beruht auf der Tatsache, dass Bor eine hohe Löslichkeit im Siliciumgitter aufweist.The elements boron and silicon are of particular importance in the tin-containing copper alloy according to the invention. The phases of the Si-B system already separate in the melt. These Si-B phases, known as silicon borides, can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n . The symbol "n" in the latter modification is based on the fact that boron has a high solubility in the silicon lattice.
Die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliciumboride ausgebildet sind, werden nachfolgend als Hartpartikel bezeichnet. Sie übernehmen in der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung die Funktion als Kristallisationskeime während der Erstarrung und Abkühlung. Dadurch besteht nicht mehr die Notwendigkeit, sogenannte Fremdkeime der Schmelze zuzuführen, deren gleichmäßige Verteilung in der Schmelze nur unzureichend gewährleistet werden kann.The Si-containing and B-containing phases, which are designed as silicon borides, are referred to below as hard particles. In the melt of the alloy according to the invention, they take on the function of crystallization nuclei during solidification and cooling. As a result, there is no longer the need to add so-called foreign nuclei to the melt, the even distribution of which in the melt can only be inadequately guaranteed.
Die Erniedrigung der Basisschmelztemperatur besonders durch das Element Bor sowie die Existenz der Hartpartikel, die als Kristallisationskeime wirken, führen zu einer maßgeblichen Verkleinerung des Erstarrungsintervalls der erfindungsgemäßen Legierung. Dadurch weist der Gusszustand der Erfindung je nach Sn-Gehalt ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit einer feinen Verteilung der δ-Phase in Form von gleichmäßig und dicht angeordneten Inseln und/oder in Form eines gleichmäßig dichten Netzwerks auf. Ansammlungen der Sn-reichen δ-Phase, die als sogenannte umgekehrte Blockseigerungen und/oder als Korngrenzenseigerungen ausgebildet sind, können im Gussgefüge der Erfindung nicht beobachtet werden.The lowering of the base melting temperature, especially due to the element boron, and the existence of the hard particles that act as crystallization nuclei lead to a significant reduction in the solidification interval of the alloy according to the invention. As a result, depending on the Sn content, the as-cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the δ-phase in the form of evenly and densely arranged islands and / or in the form of a uniformly dense network. Accumulations of the Sn-rich δ-phase, which are formed as so-called reverse block segregation and / or as grain boundary segregation, cannot be observed in the cast structure of the invention.
In der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung bewirken die Elemente Bor, Silicium und Phosphor eine Reduzierung der Metalloxide. Die Elemente werden dabei selbst oxidiert, steigen zur Oberfläche der Gussstücke auf und bilden dort als Borsilikate, Phosphorsilikate und/oder Borphosphorsilikate eine Schutzschicht, die die Gussteile vor einer Gasaufnahme schützt. Festgestellt wurden außergewöhnlich glatte Oberflächen der Gussstücke aus der erfindungsgemäßen Legierung, die auf die Ausbildung einer derartigen Schutzschicht hindeuten. Auch das Gefüge des Gusszustandes der Erfindung war über den gesamten Querschnitt der Gussteile frei von Gasporen.In the melt of the alloy according to the invention, the elements boron, silicon and phosphorus cause a reduction in the metal oxides. The elements themselves are oxidized, rise to the surface of the castings and, as borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates, form a protective layer that protects the castings from gas absorption. Exceptionally smooth surfaces of the castings made of the alloy according to the invention were found, which indicate the formation of such a protective layer. The structure of the as-cast state of the invention was also free of gas pores over the entire cross-section of the cast parts.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in der Übertragung der Wirkung von Borsilikaten und Phosphorsilikaten hinsichtlich des Angleichs der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner beim Diffusionslöten auf die Vorgänge beim Gießen, Warmumformen und thermischen Behandeln der Kupfer-Zinn-Werkstoffe. Aufgrund des breiten Erstarrungsintervalls dieser Legierungen kommt es zwischen den versetzt kristallisierenden Sn-armen und Sn-reichen Strukturbereichen zu großen mechanischen Spannungen, die zu Rissen und Poren führen können. Weiterhin können diese Schädigungsmerkmale auch bei der Warmumformung und den Hochtemperaturglühungen der Kupfer-Zinn-Legierungen aufgrund des unterschiedlichen Warmumformverhaltens und des verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sn-armen und Sn-reichen Gefügebestandteile auftreten.A basic idea of the invention consists in the transfer of the effect of borosilicates and phosphorus silicates with regard to the adjustment of the different thermal expansion coefficients of the joining partners during diffusion soldering to the processes during casting, hot forming and thermal treatment of the copper-tin materials. Because of the wide solidification interval of these alloys, large mechanical stresses occur between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich structural areas, which can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage features can also occur during hot forming and high-temperature annealing of the copper-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich structural components.
Die kombinierte Zugabe von Bor, Silicium und Phosphor zu der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung bewirkt einerseits während der Erstarrung der Schmelze mittels der Wirkung der Hartpartikel als Kristallisationskeime ein gleichmäßiges Gefüge mit einer feinen Verteilung der Gefügebestandteile mit unterschiedlichem Sn-Gehalt. Zusätzlich zu den Hartpartikeln gewährleisten die sich während der Erstarrung der Schmelze bildenden Borsilikate, Phosphorsilikate und/oder Borphosphorsilikate den notwendigen Angleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sn-armen und Sn-reichen Phasen. Auf diese Weise wird die Ausbildung von Poren sowie Spannungsrissen zwischen den Phasen mit unterschiedlichem Sn-Gehalt verhindert.The combined addition of boron, silicon and phosphorus to the tin-containing copper alloy according to the invention causes, on the one hand, a uniform structure with a fine distribution of the structural components with different Sn content during the solidification of the melt by means of the action of the hard particles as crystallization nuclei. In addition to the hard particles, the borosilicates, phosphorosilicates and / or borophosphosilicates that form during the solidification of the melt ensure the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich phases. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Legierung einer Weiterverarbeitung durch Glühen oder durch eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung unterzogen werden.Alternatively, the alloy according to the invention can be subjected to further processing by annealing or by hot forming and / or cold forming in addition to at least one annealing.
Die Wirkung der Hartpartikel als Kristallisationskeime, die zusammen mit den Borsilikaten, Phosphorsilikaten und/oder Borphosphorsilikaten einen Angleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sn-armen und Sn-reichen Phasen bewirken, konnte ebenfalls während des Prozesses der Warmumformung der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung beobachtet werden. Bei der Warmumformung dienen die Hartpartikel als Keime für die dynamische Rekristallisation. Aus diesem Grunde sind die Hartpartikel dafür verantwortlich zu machen, dass die dynamische Rekristallisation bei der Warmumformung der erfindungsgemäßen Legierung begünstigt stattfindet. Dadurch erfolgt eine weitere Erhöhung der Gleichmäßigkeit und der Feinkörnigkeit des Gefüges.The effect of the hard particles as crystallization nuclei, which together with the borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates bring about an equalization of the thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich phases, could also be observed during the process of hot forming of the tin-containing copper alloy according to the invention. During hot forming, the hard particles serve as seeds for dynamic recrystallization. For this reason, the hard particles are to be made responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during the hot forming of the alloy according to the invention. This results in a further increase in the uniformity and fine-grainedness of the structure.
Wie nach dem Gießen, so konnte auch nach der Warmumformung der Gussstücke eine außergewöhnlich glatte Oberfläche der Teile festgestellt werden. Diese Beobachtung deutet auf die Bildung von Borsilikaten, Phosphorsilikaten und/oder Borphosphorsilikaten hin, die im Werkstoff während der Warmumformung stattfindet. Die Silikate und Hartpartikel bedingen auch während der Warmumformung einen Angleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sn-armen und Sn-reichen Bestandteile. So war das Gefüge, wie nach dem Gießen, auch nach der Warmumformung frei von Rissen und Poren.As after casting, an exceptionally smooth surface of the parts could also be determined after hot forming of the castings. This observation indicates the formation of borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates that takes place in the material during hot forming. The silicates and hard particles also cause the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich components to be matched during hot forming. Like after casting, the structure was free of cracks and pores even after hot forming.
Die Rolle der Hartpartikel als Keime für die statische Rekristallisation zeigte sich während der Glühbehandlung nach einer erfolgten Kaltumformung. Die herausragende Funktion der Hartpartikel als Keime für die statische Rekristallisation äußerte sich in der möglich gewordenen Absenkung der notwendigen Rekristallisationstemperatur, wodurch die Einstellung eines feinkörnigen Gefüges der erfindungsgemäßen Legierung zusätzlich erleichtert wird.The role of the hard particles as nuclei for the static recrystallization became apparent during the annealing treatment after cold forming. The outstanding function of the hard particles as nuclei for the static recrystallization manifested itself in the lowering of the necessary recrystallization temperature which has become possible, which additionally facilitates the establishment of a fine-grain structure of the alloy according to the invention.
Dadurch werden während der Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung höhere Kaltumformgrade ermöglicht, wodurch besonders hohe Werte für die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2 sowie die Härte eingestellt werden können. Insbesondere die Höhe des Parameters Rp0,2 ist für die Gleitelemente und Führungselemente in Verbrennungsmotoren, Ventilen, Turboladern, Getrieben, Abgasnachbehandlungsanlagen, Hebelsystemen, Bremssystemen und Gelenksystemen, hydraulischen Aggregaten oder in Maschinen und Anlagen des allgemeinen Maschinenbaus bedeutsam. Des Weiteren stellt ein hoher Wert von Rp0,2 eine Voraussetzung für die notwendigen Federeigenschaften von Steckverbindern in der Elektronik und Elektrotechnik dar. This enables higher degrees of cold deformation during the further processing of the alloy according to the invention, as a result of which particularly high values for the tensile strength R m , the yield point R p0.2 and the hardness can be set. In particular, the level of the parameter R p0.2 is important for the sliding elements and guide elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, transmissions, exhaust gas aftertreatment systems, lever systems, brake systems and joint systems, hydraulic units or in machines and systems in general mechanical engineering. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.
Der Sn-Gehalt der Erfindung bewegt sich in den Grenzen zwischen 4,0 und 23,0 Gew.-%. Ein Zinn-Gehalt von unter 4,0 Gew.-% hätte zu geringe Festigkeitswerte und Härtewerte zur Folge. Außerdem wären die Laufeigenschaften bei einer Gleitbeanspruchung unzureichend. Der Widerstand der Legierung gegenüber des abrasiven und adhäsiven Verschleißes würde nicht den Anforderungen genügen. Bei einem Sn-Gehalt über 23,0 Gew.-% würden sich die Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung rapide verschlechtern, wodurch die dynamische Belastbarkeit der Bauteile aus dem Werkstoff herabgesetzt wird.The Sn content of the invention ranges between 4.0 and 23.0 Wt%. A tin content of less than 4.0% by weight would result in too low strength values and hardness values. In addition, the running properties would be inadequate in the event of a sliding load. The resistance of the alloy to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements. If the Sn content exceeds 23.0% by weight, the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load-bearing capacity of the components made of the material is reduced.
Durch die Ausscheidung der Hartpartikel weist die erfindungsgemäße Legierung einen Hartphasenanteil auf, der aufgrund der hohen Härte der Siliziumboride zu einer Verbesserung des Werkstoffwiderstandes gegen den abrasiven Verschleiß beiträgt. Außerdem bedingt der Anteil an Hartpartikeln eine verbesserte Beständigkeit gegen den adhäsiven Verschleiß, da diese Phasen eine niedrige Verschweißneigung mit einem metallischen Gegenlaufpartner bei einer Gleitbeanspruchung zeigen. Sie dienen somit als wichtiger Verschleißträger in der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung. Weiterhin erhöhen die Hartpartikel die Warmfestigkeit sowie die Spannungsrelaxationsbeständigkeit von Bauteilen aus der Erfindung. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere für Gleitelemente und für Bauelemente, Leitungselemente, Führungselemente und Verbindungselemente in der Elektronik/Elektrotechnik dar.Due to the precipitation of the hard particles, the alloy according to the invention has a hard phase component which, due to the high hardness of the silicon borides, contributes to an improvement in the material resistance to abrasive wear. In addition, the proportion of hard particles results in improved resistance to adhesive wear, since these phases show a low tendency to weld with a metallic counterpart when exposed to sliding stress. They thus serve as an important wear carrier in the tin-containing copper alloy according to the invention. Furthermore, the hard particles increase the heat resistance and the stress relaxation resistance of components from the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and for components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics / electrical engineering.
Die Bildung von Borsilikaten, Phosphorsilikaten und/oder Borphosphorsilikaten in der erfindungsgemäßen Legierung führt nicht nur zu einer signifikanten Reduzierung der Poren und Risse im Gefüge. Diese silikatischen Phasen übernehmen auch die Rolle eines verschleißschützenden und/oder korrosionsschützenden Überzuges auf den Bauteilen.The formation of borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates in the alloy according to the invention not only leads to a significant reduction in the pores and cracks in the structure. These silicate phases also take on the role of a wear-protecting and / or corrosion-protecting coating on the components.
Damit gewährleistet die erfindungsgemäße Legierung eine Kombination der Eigenschaften Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaftskombination führt zu einem anforderungsgemäß hohen Widerstand gegen die Mechanismen des Gleitverschleißes und zu einem hohen Werkstoffwiderstand gegen die Reibkorrosion. Auf diese Weise ist die Erfindung hervorragend für den Einsatz als Gleitelement und Steckverbinder geeignet, da sie ein hohes Maß an Beständigkeit gegenüber dem Gleitverschleiß und dem Schwingreibverschleiß, dem sogenannten fretting, aufweist.The alloy according to the invention thus ensures a combination of the properties of wear resistance and corrosion resistance. These The combination of properties leads to a high resistance to the mechanisms of sliding wear, as required, and to a high material resistance to fretting corrosion. In this way, the invention is excellently suited for use as a sliding element and plug connector, since it has a high degree of resistance to sliding wear and vibrational friction wear, known as fretting.
Die Wirkung der Hartpartikel als Kristallisationskeime und Rekristallisationskeime, als Verschleißträger sowie die Wirkung der silikatischen Phasen zum Zwecke des Korrosionsschutzes kann in der erfindungsgemäßen Legierung erst ein technisch bedeutsames Maß erreichen, wenn der Silicium-Gehalt mindestens 0,05 Gew.-% und der Bor-Gehalt mindestens 0,005 Gew.-% beträgt. Übersteigt dagegen der Si-Gehalt die 2,0 Gew.-% und/oder der B-Gehalt die 0,6 Gew.-%, so führt dies zu einer Verschlechterung des Gießverhaltens. Der zu hohe Gehalt an Hartpartikeln würde die Schmelze maßgeblich dickflüssiger machen. Außerdem wären verminderte Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung die Folge.The effect of the hard particles as crystallization nuclei and recrystallization nuclei, as wear carriers and the effect of the silicate phases for the purpose of corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0.05% by weight and the boron Content is at least 0.005% by weight. On the other hand, if the Si content exceeds 2.0% by weight and / or the B content exceeds 0.6% by weight, this leads to a deterioration in the casting behavior. The excessively high content of hard particles would make the melt significantly more viscous. In addition, reduced toughness properties of the alloy according to the invention would be the result.
Als vorteilhaft wird der Bereich für den Si-Gehalt in den Grenzen von 0,05 bis 1,5 Gew.-% und insbesondere von 0.5 bis 1.5 Gew.-% bewertet. In der Legierung gemäß Anspruch 1 liegt der Si-Gehalt in den Grenzen von 0,5 bis 1,5 Gew.-%. Für das Element Bor wird der Gehalt von 0,01 bis 0,6 Gew.-% als vorteilhaft angesehen. Als besonders vorteilhaft hat sich der Gehalt für Bor von 0,1 bis 0,6 Gew.-% erwiesen.The range for the Si content within the limits from 0.05 to 1.5% by weight and in particular from 0.5 to 1.5% by weight is rated as advantageous. In the alloy according to
Für die Sicherstellung eines genügenden Gehaltes an Hartpartikeln sowie an Borsilikaten, Phosphorsilikaten und/oder Borphosphorsilikaten hat sich die Einstellung eines konkreten Elementverhältnisses der Elemente Silicium und Bor als wichtig erwiesen. Aus diesem Grunde liegt das Verhältnis Si/B der Elementgehalte (in Gew.-%) der Elemente Silicium und Bor der erfindungsgemäßen Legierung zwischen 0,3 und 10. Ein Verhältnis Si/B von 1 bis 10 und weiterhin von 1 bis 6 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.To ensure a sufficient content of hard particles as well as borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates, the setting of a specific element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important. For this reason, the Si / B ratio of the element contents (in% by weight) of the elements silicon and boron is the alloy according to the invention between 0.3 and 10. A Si / B ratio of 1 to 10 and furthermore from 1 to 6 has proven to be particularly advantageous.
Die Ausscheidung von Hartpartikeln beeinflusst die Viskosität der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung. Dieser Umstand unterstreicht zusätzlich, warum auf einen Zusatz von Phosphor nicht verzichtet werden darf. Phosphor bewirkt, dass die Schmelze trotz des Gehaltes an Hartpartikeln ausreichend dünnflüssig ist, was für die Gießbarkeit der Erfindung von großer Bedeutung ist. Der Gehalt an Phosphor der erfindungsgemäßen Legierung beträgt 0,001 bis 0,08 Gew.-%. Vorteilhaft ist ein P-Gehalt in dem Bereich von 0,001 bis 0,05 Gew.-%.The precipitation of hard particles influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This fact also underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus has the effect that the melt is sufficiently thin despite the content of hard particles, which is of great importance for the castability of the invention. The phosphorus content of the alloy according to the invention is 0.001 to 0.08% by weight. A P content in the range from 0.001 to 0.05% by weight is advantageous.
Die Summe der Elementgehalte der Elemente Silicium, Bor und Phosphor beträgt vorteilhaft zumindest 0,5 Gew.-%.The sum of the element contents of the elements silicon, boron and phosphorus is advantageously at least 0.5% by weight.
Eine maschinelle Bearbeitung der Halbzeuge und Bauteile aus den konventionellen Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zinn-Phosphor-Knetlegierungen insbesondere mit einem Sn-Gehalt bis ca. 9 Gew.-% ist aufgrund der ungenügenden Zerspanbarkeit nur mit großem Aufwand möglich. So verursacht besonders das Auftreten von langen Wendelspänen lange Maschinenstillstandszeiten, da die Späne erst von Hand aus dem Bearbeitungsbereich der Maschine entfernt werden müssen.Machining of the semi-finished products and components made of conventional copper-tin and copper-tin-phosphorus wrought alloys, in particular with an Sn content of up to approx. 9% by weight, is only possible with great effort due to the inadequate machinability. The occurrence of long spiral chips in particular causes long machine downtimes, as the chips first have to be removed from the machining area of the machine by hand.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung dagegen dienen die Hartpartikel, in deren Bereichen je nach Sn-Gehalt der Legierung das Element Zinn und/oder die δ-Phase kristallisiert oder ausgeschieden ist, als Spanbrecher. Die somit entstehenden kurzen Bröckelspäne und/oder Wirrspäne erleichtern die Zerspanbarkeit, weshalb die Halbzeuge und Bauteile aus der erfindungsgemäßen Legierung eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit aufweisen.In the alloy according to the invention, on the other hand, the hard particles, in the regions of which, depending on the Sn content of the alloy, the element tin and / or the δ phase is crystallized or precipitated, serve as chip breakers. The resulting short crumbling chips and / or tangled chips facilitate the machinability, which is why the semi-finished products and components made of the alloy according to the invention have better machinability.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 9,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 4.0 to 9.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 9,0 % Sn,
- 0,05
bis 0,3 % Si, - 0,1 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 4.0 to 9.0% Sn,
- 0.05 to 0.3% Si,
- 0.1 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 4,0 bis 9,0 % Sn,
- 0,5
bis 1,5 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 4.0 to 9.0% Sn,
- 0.5 to 1.5% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Im Gussgefüge dieser Ausführungsformen der Erfindung ist die Sn-reiche δ-Phase gleichmäßig in Inselform mit bis zu 40 Vol.-% angeordnet. Dabei ist das Element Zinn und/oder die δ-Phase zumeist in den Bereichen der Hartpartikel kristallisiert und/oder ummantelt diese.In the cast structure of these embodiments of the invention, the Sn-rich δ-phase is arranged uniformly in island form with up to 40% by volume. The element tin and / or the δ-phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
Die Gussstücke dieser Ausführungsformen weisen bei der Arbeitstemperatur im Bereich von 600 bis 880°C eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit auf. Infolge der durch die Hartpartikel begünstigt stattgefundenen dynamischen Rekristallisation liegt das Gefüge der Ausführungsformen nach der Warmumformung sehr feinkörnig vor. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Kaltumformbarkeit mit einem Kaltumformgrad ε von über 40 %.The castings of these embodiments have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C. As a result Due to the dynamic recrystallization that has taken place, favored by the hard particles, the structure of the embodiments is very fine-grained after the hot forming. This results in very good cold formability with a degree of cold deformation ε of over 40%.
Die im Gefüge ausgeschiedenen Hartpartikel wirken bei der thermischen Behandlung des kaltumgeformten Werkstoffzustandes bei der Temperatur von 200 bis 880°C mit einer Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden als Rekristallisationskeime. Mittels dieses Weiterverarbeitungsschrittes ist es möglich, ein Gefüge mit einer Korngröße bis 20 µm einzustellen. Die Begünstigung der Rekristallisationsmechanismen durch die Hartpartikel erlaubt eine Absenkung der Rekristallisationstemperatur, so dass ein Gefüge mit einer Korngröße bis 10 µm erzeugt werden kann. Durch einen mehrstufigen Fertigungsprozess aus Kaltumformungen und Glühungen und/oder durch eine zweckentsprechende Absenkung der Rekristallisationstemperatur ist es sogar möglich, die Größe der Kristalliten in dem Werkstoffgefüge auf unter 5 µm einzustellen.The hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours. By means of this further processing step it is possible to set a structure with a grain size of up to 20 µm. The promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a grain size of up to 10 µm can be created. By means of a multi-stage production process consisting of cold forming and annealing and / or by appropriately lowering the recrystallization temperature, it is even possible to set the size of the crystallites in the material structure to below 5 µm.
Die mechanischen Eigenschaften einiger Ausführungsformen stehen stellvertretend für den gesamten Bereich der Legierungszusammensetzungen sowie der Fertigungsparameter. Es verdeutlichen die Ergebnisse der Untersuchung entsprechender und nachfolgend geschilderter Ausführungsbeispiele, dass Werte für die Zugfestigkeit Rm von über 700 bis 800 MPa, Werte für die Dehngrenze Rp0,2 von über 600 bis 700 MPa erreicht werden können. Gleichzeitig liegen die Zähigkeitseigenschaften der Ausführungsformen auf einem sehr hohen Niveau. Ausgedrückt wird dieser Sachverhalt durch die hohen Werte für die Bruchdehnung A5.The mechanical properties of some embodiments are representative of the entire range of alloy compositions and production parameters. The results of the investigation of corresponding exemplary embodiments described below make it clear that values for the tensile strength R m of over 700 to 800 MPa, values for the yield strength R p0.2 of over 600 to 700 MPa can be achieved. At the same time, the toughness properties of the embodiments are at a very high level. This fact is expressed by the high values for the elongation at break A5.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 9,0 bis 13,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 9.0 to 13.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 9,0 bis 13,0 % Sn,
- 0,05
bis 0,3 % Si, - 0,1 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 9.0 to 13.0% Sn,
- 0.05 to 0.3% Si,
- 0.1 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 9,0 bis 13,0 % Sn,
- 0,5
bis 1,5 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 9.0 to 13.0% Sn,
- 0.5 to 1.5% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Das Gefüge dieser Ausführungsformen der Erfindung ist durch einen Gehalt der δ-Phase von bis zu 60 Vol.-% gekennzeichnet, wobei diese Phasenart in Inselform und Netzform gleichmäßig im Gefüge verteilt ist. Dabei ist wiederum das Element Zinn und/oder die δ-Phase zumeist in den Bereichen Hartpartikel kristallisiert und/oder ummantelt diese.The structure of these embodiments of the invention is characterized by a content of the δ phase of up to 60% by volume, this type of phase being evenly distributed in the structure in island form and network form. Again, the element tin and / or the δ-phase is mostly crystallized and / or encased in the areas of hard particles.
Die Gussstücke dieser Ausführungsformen weisen bei der Arbeitstemperatur im Bereich von 600 bis 880°C eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit auf.The castings of these embodiments have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C.
Infolge der durch die Hartpartikel begünstigt stattgefundenen dynamischen Rekristallisation liegt das Gefüge der Ausführungsformen nach der Warmumformung sehr feinkörnig vor. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Kaltumformbarkeit, die sich durch eine beschleunigte Abkühlung nach der Warmumformung an Luft oder in Wasser und/oder durch eine Glühbehandlung nach dem Warmumformprozess bei der Temperatur von 200 bis 880°C mit einer Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden noch weiter verbessern lässt. Nach dem Prozessschritt der Warmumformung ist das Gefügemerkmal der Kristallisation des Elementes Zinn und/oder der δ-Phase in den Bereichen der Hartpartikel und/oder der Ummantelung dieser Hartpartikel mit dem Element Zinn und/oder der δ-Phase bezüglich des Gusszustandes vollständiger ausgeprägt.As a result of the dynamic recrystallization that has taken place, favored by the hard particles, the structure of the embodiments is very fine-grained after hot forming. This results in very good cold formability, which is achieved through accelerated cooling after hot forming in air or in water and / or through an annealing treatment after the hot forming process at a temperature of 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes to 6 hours can be further improved. After the hot forming process step, the structural feature of crystallization of the element tin and / or the δ-phase in the areas of the hard particles and / or the coating of these hard particles with the element tin and / or the δ-phase is more fully pronounced with regard to the as-cast state.
Die im Gefüge ausgeschiedenen Hartpartikel wirken bei der thermischen Behandlung des kaltumgeformten Werkstoffzustandes bei der Temperatur von 200 bis 880°C mit einer Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden als Rekristallisationskeime. Mittels dieses Weiterverarbeitungsschrittes ist es möglich, ein feinkörnigeres Gefüge einzustellen. Die Begünstigung der Rekristallisationsmechanismen durch die Hartpartikel erlaubt eine Absenkung der Rekristallisationstemperatur, so dass ein Gefüge mit einer weiter verkleinerten Korngröße erzeugt werden kann. Durch einen mehrstufigen Fertigungsprozess aus Kaltumformungen und Glühungen kann die Feinkörnigkeit des Gefüges weiter optimiert werden.The hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours. By means of this further processing step it is possible to set a finer-grain structure. The promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a further reduced grain size can be produced. The fine-grain structure of the structure can be further optimized through a multi-stage production process consisting of cold forming and annealing.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 13,0 bis 17,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 13.0 to 17.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 13,0 bis 17,0 % Sn,
- 0,05
bis 0,3 % Si, - 0,1 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 13.0 to 17.0% Sn,
- 0.05 to 0.3% Si,
- 0.1 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 13,0 bis 17,0 % Sn,
- 0,5
bis 1,5 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 13.0 to 17.0% Sn,
- 0.5 to 1.5% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Die δ-Phase im Gussgefüge dieser Ausführungsformen der Erfindung liegt in Form eines gleichmäßig angeordneten Netzwerkes mit bis zu 80 Vol.-% vor. Dabei ist das Element Zinn und/oder die δ-Phase zumeist in den Bereichen der Hartpartikel kristallisiert und/oder ummantelt diese.The δ-phase in the cast structure of these embodiments of the invention is in the form of a uniformly arranged network with up to 80% by volume. The element tin and / or the δ-phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
Die Gussstücke dieser Ausführungsformen weisen bei der Arbeitstemperatur im Bereich von 600 bis 880°C ebenfalls eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit auf. Gerade in diesem Gehaltsbereich für das Legierungselement Zinn von 13,0 bis 17,0 Gew.-% sind die konventionellen Kupfer-Zinn-Legierungen nur sehr schwierig ohne das Auftreten von Warmrissen und Warmbrüchen warmumformbar.The castings of these embodiments also have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C. It is precisely in this content range for the alloying element tin of 13.0 to 17.0% by weight that the conventional copper-tin alloys can only be thermoformed with great difficulty without the occurrence of hot cracks and hot fractures.
Infolge der durch die Hartpartikel begünstigt stattgefundenen dynamischen Rekristallisation liegt das Gefüge der Ausführungsformen nach der Warmumformung sehr feinkörnig vor. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Kaltumformbarkeit, die sich mit der Durchführung einer beschleunigten Abkühlung der Halbzeuge an Luft oder in Wasser nach der Warmumformung und/oder durch eine Glühbehandlung nach dem Warmumformprozess bei der Temperatur von 200 bis 880°C mit einer Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden noch weiter verbessern lässt. Nach dem Prozessschritt der Warmumformung ist das Gefügemerkmal der Kristallisation des Elementes Zinn und/oder der δ-Phase in den Bereichen der Hartpartikel und/oder der Ummantelung dieser Hartpartikel mit dem Element Zinn und/oder der ö-Phase bezüglich des Gusszustandes vollständiger ausgeprägt.As a result of the dynamic recrystallization favored by the hard particles, the structure of the embodiments is in accordance with Hot forming very fine-grained. This results in very good cold formability, which results from the implementation of an accelerated cooling of the semi-finished products in air or in water after the hot forming and / or by an annealing treatment after the hot forming process at a temperature of 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes up to 6 hours can be further improved. After the hot forming process step, the structural feature of crystallization of the element tin and / or the δ-phase in the areas of the hard particles and / or the coating of these hard particles with the element tin and / or the δ-phase is more fully pronounced with regard to the as-cast state.
Die im Gefüge ausgeschiedenen Hartpartikel wirken bei der thermischen Behandlung des kaltumgeformten Werkstoffzustandes bei der Temperatur von 200 bis 880°C mit einer Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden als Rekristallisationskeime. Mittels dieses Weiterverarbeitungsschrittes ist es möglich, ein Gefüge mit einer Korngröße bis 30 µm einzustellen. Die Begünstigung der Rekristallisationsmechanismen durch die Hartpartikel erlaubt eine Absenkung der Rekristallisationstemperatur, so dass ein Gefüge mit einer Korngröße bis 15 µm erzeugt werden kann. Die netzartige Anordnung der δ-Phase im Gefüge bleibt erhalten.The hard particles precipitated in the structure act as recrystallization nuclei during the thermal treatment of the cold-formed material state at a temperature of 200 to 880 ° C for a period of 10 minutes to 6 hours. By means of this further processing step, it is possible to set a structure with a grain size of up to 30 µm. The promotion of the recrystallization mechanisms by the hard particles allows the recrystallization temperature to be lowered so that a structure with a grain size of up to 15 µm can be created. The network-like arrangement of the δ-phase in the structure is retained.
Durch einen mehrstufigen Fertigungsprozess aus Kaltumformungen und Glühungen und/oder durch eine zweckentsprechende Absenkung der Rekristallisationstemperatur ist es sogar möglich, die Größe der Kristalliten in dem Werkstoffgefüge auf unter 5 µm einzustellen.By means of a multi-stage production process consisting of cold forming and annealing and / or by appropriately lowering the recrystallization temperature, it is even possible to set the size of the crystallites in the material structure to below 5 µm.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 17,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,05
bis 2,0 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,08 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 17.0 to 23.0% Sn,
- 0.05 to 2.0% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.08% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 17,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,05
bis 0,3 % Si, - 0,1 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 17.0 to 23.0% Sn,
- 0.05 to 0.3% Si,
- 0.1 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die zinnhaltige Kupferlegierung bestehen aus (in Gew.-%):
- 17,0 bis 23,0 % Sn,
- 0,5
bis 1,5 % Si, - 0,01 bis 0,6 % B,
- 0,001 bis 0,05 % P,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 17.0 to 23.0% Sn,
- 0.5 to 1.5% Si,
- 0.01 to 0.6% B,
- 0.001 to 0.05% P,
- Remainder copper and unavoidable impurities.
Ein sehr dichtes Netz der δ-Phase, das gleichmäßig mit bis zu 98 Vol.-% im Gefüge angeordnet ist, gehört zum Merkmal dieser Ausführungsformen der Erfindung. Dabei ist das Element Zinn und/oder die δ-Phase zumeist in den Bereichen der Hartpartikel kristallisiert und/oder ummantelt diese.A very dense network of the δ phase, which is evenly arranged with up to 98% by volume in the structure, is a feature of these embodiments of the invention. The element tin and / or the δ-phase is mostly crystallized and / or coated in the areas of the hard particles.
Infolge der Gleichmäßigkeit des dichten δ-Netzes weisen die Gussstücke dieser Ausführungsformen bei der Arbeitstemperatur im Bereich von 600 bis 880°C ebenfalls eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit auf.As a result of the uniformity of the dense δ network, the castings of these embodiments also have excellent hot formability at the working temperature in the range from 600 to 880 ° C.
Während der adhäsiven Verschleißbeanspruchung eines Bauteils aus der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung trägt das Legierungselement Zinn im besonderen Maße zur Ausbildung einer sogenannten Triboschicht zwischen den Gleitpartnern bei. Besonders unter Mischreibungsbedingungen ist dieser Mechanismus bedeutsam, wenn die Notlaufeigenschaften eines Werkstoffes verstärkt in den Vordergrund rücken. Die Triboschicht führt zur Verkleinerung der rein metallischen Kontaktfläche zwischen den Gleitpartnern, wodurch ein Verschweißen oder Fressen der Elemente verhindert wird.During the adhesive wear and tear on a component from the According to the invention, tin-containing copper alloy, the alloy element tin contributes in particular to the formation of a so-called tribo-layer between the sliding partners. This mechanism is particularly important under mixed friction conditions, when the emergency running properties of a material come to the fore. The tribo-layer leads to a reduction in the size of the purely metallic contact area between the sliding partners, which prevents the elements from welding or seizing.
Aufgrund der Effizienzsteigerung moderner Motoren, Maschinen und Aggregaten treten immer höhere Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen auf. Dies ist besonders in den neuentwickelten Verbrennungsmotoren zu beobachten, bei denen auf eine immer vollständigere Verbrennung des Treibstoffs hingearbeitet wird. Zusätzlich zu den erhöhten Temperaturen im Raum der Verbrennungsmotoren kommt noch die Wärmeentwicklung, die während des Betriebes der Gleitlagersysteme auftreten. Infolge der hohen Temperaturen im Lagerbetrieb kommt es in den Teilen aus der erfindungsgemäßen Legierung, ähnlich wie beim Gießen und bei der Warmumformung, zur Bildung von Borsilikaten, Phosphorsilikaten und/oder Borphosphorsilikaten. Diese Verbindungen verstärken noch die Triboschicht, woraus eine gesteigerte adhäsive Verschleißbeständigkeit der Gleitelemente aus der erfindungsgemäßen Legierung resultiert.Due to the increase in the efficiency of modern engines, machines and units, operating pressures and temperatures are increasing. This is particularly noticeable in the newly developed internal combustion engines, which are working towards more and more complete combustion of the fuel. In addition to the increased temperatures in the area of the internal combustion engine, there is also the generation of heat that occurs during operation of the plain bearing systems. As a result of the high temperatures during storage operations, borosilicates, phosphorus silicates and / or borophosphosilicates are formed in the parts made of the alloy according to the invention, similar to casting and hot forming. These compounds further strengthen the tribo-layer, which results in increased adhesive wear resistance of the sliding elements made from the alloy according to the invention.
Bereits während des Gießprozesses der Erfindung kommt es im Gefüge zur Ausscheidung der Hartpartikel. Diese Hartphasen schützen den Werkstoff vor den Folgen einer abrasiven Verschleißbeanspruchung, das heißt vor einem Materialabtrag durch Furchungsverschleiß. Weiterhin besitzen die Hartpartikel eine geringe Verschweißneigung mit dem metallischen Gleitpartner, weshalb sie zusammen mit der komplex aufgebauten Triboschicht eine hohe adhäsive Verschleißbeständigkeit der Erfindung gewährleisten.Already during the casting process of the invention, the hard particles precipitate in the structure. These hard phases protect the material from the consequences of abrasive wear and tear, that is, from material removal due to corrugation wear. Furthermore, the hard particles have a low tendency to weld with the metallic sliding partner, which is why, together with the complex tribo-layer, they ensure a high adhesive wear resistance of the invention.
Neben ihrer Funktion als Verschleißträger bewirken die Hartpartikel eine höhere Temperaturstabilität des Gefüges der erfindungsgemäßen Kupferlegierung. Daraus ergibt sich eine hohe Warmfestigkeit sowie eine Verbesserung der Beständigkeit des Werkstoffes gegen eine Spannungsrelaxation.In addition to their function as wear carriers, the hard particles bring about a higher temperature stability of the structure of the copper alloy according to the invention. This results in a high heat resistance and an improvement in the resistance of the material to stress relaxation.
In der Gussvariante und der weiterverarbeiteten Variante der erfindungsgemäßen Legierung können folgende Wahlelemente enthalten sein:
Das Element Zink kann der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung mit einem Gehalt von 0,1 bis 2,0 Gew.-% zugesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass das Legierungselement Zink in Abhängigkeit vom Sn-Gehalt der Legierung den Anteil an Sn-reichen Phasen in der Erfindung erhöht, wodurch Festigkeit und Härte zunehmen. Allerdings konnten keine Hinweise darauf gefunden werden, dass ein Zusatz an Zink sich positiv auf die Gleichmäßigkeit des Gefüges sowie auf die weitere Verringerung des Gehaltes an Poren und Rissen im Gefüge auswirkt. Offensichtlich überwiegt der diesbezügliche Einfluss des kombinierten Legierungsgehaltes an Bor, Silicium und Phosphor. Unter 0,1 Gew.-% Zn konnte ein festigkeits- und härtesteigernder Effekt nicht beobachtet werden. Bei Zn-Gehalten über 2,0 Gew.-% wurden die Zähigkeitseigenschaften der Legierung auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt. Außerdem verschlechterte sich die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung. Vorteilhafterweise kann der Erfindung ein Zink-Gehalt im Bereich von 0,5 bis 1,5 Gew.-% zugesetzt werden.The cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
The element zinc can be added to the tin-containing copper alloy according to the invention in a content of 0.1 to 2.0% by weight. It was found that, depending on the Sn content of the alloy, the alloy element zinc increases the proportion of Sn-rich phases in the invention, thereby increasing strength and hardness. However, no indications could be found that the addition of zinc has a positive effect on the uniformity of the structure and on the further reduction of the content of pores and cracks in the structure. Obviously, the influence of the combined alloy content of boron, silicon and phosphorus predominates. A strength- and hardness-increasing effect could not be observed below 0.1% by weight of Zn. At Zn contents above 2.0% by weight, the toughness properties of the alloy were reduced to a lower level. In addition, the tin-containing copper alloy of the present invention deteriorated in corrosion resistance. A zinc content in the range from 0.5 to 1.5% by weight can advantageously be added to the invention.
Für eine weitere Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften Festigkeit und Härte sowie der Spannungsrelaxationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen kann der Zusatz der Legierungselemente Eisen und Magnesium einzeln oder in Kombination erfolgen.To further improve the mechanical material properties of strength and hardness as well as the stress relaxation resistance at elevated temperatures, the alloying elements iron and magnesium can be added individually or in combination.
Die erfindungsgemäßen Legierung kann 0,01 bis 0,6 Gew.-% Eisen enthalten. Im Gefüge liegen somit bis zu 10 Vol.-% Fe-Boride, Fe-Phosphide sowie Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen vor. Weiterhin kommt es im Gefüge zur Ausbildung von Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen der Fe-haltigen Phasen und der Si-haltigen und B-haltigen Phasen. Diese Phasen und Verbindungen tragen zur Erhöhung der Festigkeit, der Härte, der Warmfestigkeit, der Spannungsrelaxationsbeständigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verbesserung des Widerstandes gegen eine abrasive und adhäsive Verschleißbeanspruchung der Legierung bei. Bei einem Fe-Gehalt unter 0,01 Gew.-% wird diese Eigenschaftsverbesserung nicht erreicht. Überschreitet der Fe-Gehalt die 0,6 Gew.-%, so besteht die Gefahr einer Clusterbildung des Eisens im Gefüge. Verbunden wäre damit eine maßgebliche Verschlechterung der Verarbeitungseigenschaften und Gebrauchseigenschaften.The alloy according to the invention can contain 0.01 to 0.6% by weight of iron. in the Structures are thus up to 10 vol .-% Fe borides, Fe phosphides and Fe silicides and / or Fe-rich particles. Furthermore, there is the formation of addition compounds and / or mixed compounds of the Fe-containing phases and the Si-containing and B-containing phases in the structure. These phases and compounds contribute to increasing the strength, hardness, heat resistance, stress relaxation resistance, electrical conductivity and improving the resistance to abrasive and adhesive wear of the alloy. This improvement in properties is not achieved with an Fe content of less than 0.01% by weight. If the Fe content exceeds 0.6% by weight, there is a risk of the iron clustering in the structure. This would be associated with a significant deterioration in the processing properties and performance properties.
Weiterhin kann der erfindungsgemäßen Legierung das Element Magnesium von 0,01 bis 0,5 Gew.-% zugesetzt werden. In diesem Falle liegen im Gefüge bis zu 15 Vol.-% Mg-Boride, Mg-Phosphide sowie Cu-Mg-Phasen und Cu-Sn-Mg-Phasen vor. Des Weiteren kommt es im Gefüge zur Ausbildung von Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen der Mg-haltigen Phasen und der Si-haltigen und B-haltigen Phasen. Diese Phasen und Verbindungen tragen ebenfalls zur Erhöhung der Festigkeit, der Härte, der Warmfestigkeit, der Spannungsrelaxationsbeständigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verbesserung des Widerstandes gegen eine abrasive und adhäsive Verschleißbeanspruchung der Legierung bei. Bei einem Mg-Gehalt unter 0,01 Gew.-% wird diese Eigenschaftsverbesserung nicht erreicht. Überschreitet der Mg-Gehalt die 0,5 Gew.-%, so verschlechtert sich insbesondere die Gießbarkeit der Legierung. Außerdem würde der zu hohe Gehalt an Mg-haltigen Verbindungen die Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung maßgeblich verschlechtern.Furthermore, the element magnesium can be added to the alloy according to the invention in an amount of from 0.01 to 0.5% by weight. In this case, up to 15% by volume of Mg borides, Mg phosphides as well as Cu-Mg phases and Cu-Sn-Mg phases are present in the structure. In addition, addition compounds and / or mixed compounds of the Mg-containing phases and the Si-containing and B-containing phases are formed in the structure. These phases and compounds also contribute to increasing the strength, hardness, heat resistance, stress relaxation resistance, electrical conductivity and improving the resistance to abrasive and adhesive wear of the alloy. If the Mg content is below 0.01% by weight, this improvement in properties is not achieved. If the Mg content exceeds 0.5% by weight, the castability of the alloy in particular deteriorates. In addition, the excessively high content of Mg-containing compounds would significantly impair the toughness properties of the alloy according to the invention.
Wahlweise kann die zinnhaltige Kupferlegierung geringe Bleianteile aufweisen. Gerade noch akzeptabel und über der Verunreinigungsgrenze liegend sind dabei Bleigehalte bis maximal 0,25 Gew.-%. Bei einer besonders bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zinnhaltige Kupferlegierung bis auf etwaige unvermeidbare Verunreinigungen frei von Blei. In diesem Zusammenhang sind Bleigehalte bis maximal 0,1 Gew.-% an Pb angedacht.The tin-containing copper alloy can optionally contain a small amount of lead. Lead contents of up to a maximum of 0.25% by weight are still just acceptable and above the contamination limit. In a particularly preferred advantageous embodiment of the invention, the tin-containing copper alloy is free of lead except for any unavoidable impurities. In this context, lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are envisaged.
Als besonderer Vorteil der Erfindung wird die weitgehende Freiheit des Gefüges von Gasporen und Schwindungsporen, Lunkern, Seigerungen und Rissen im Gusszustand angesehen. Daraus ergibt sich die besondere Eignung der erfindungsgemäßen Legierung als Verschleißschutzschicht, die beispielsweise auf einen Grundkörper aus Stahl aufgeschmolzen wird. Mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung kann beim Aufschmelzprozess insbesondere die Ausbildung einer offenen Porosität unterdrückt werden, wodurch die Druckfestigkeit der Gleitschicht erhöht wird.The extensive freedom of the structure from gas pores and shrinkage pores, voids, segregations and cracks in the as-cast state is regarded as a particular advantage of the invention. This results in the particular suitability of the alloy according to the invention as a wear protection layer which is melted, for example, onto a base body made of steel. With the alloy composition according to the invention, in particular the formation of open porosity can be suppressed during the melting process, as a result of which the compressive strength of the sliding layer is increased.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ist der Wegfall der zwingenden Notwendigkeit der Durchführung einer speziellen Urformtechnik wie beispielsweise die des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens zur Bereitstellung eines gleichmäßigen, weitgehend porenfreien und seigerungsfreien Gefüges. Für die Einstellung eines derartigen Gefüges können für den Urformprozess der erfindungsgemäßen Legierung konventionelle Gießverfahren eingesetzt werden. So schließt ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Endprodukten oder von Bauteilen mit endproduktnaher Form aus der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung mit Hilfe des Sandguss-Verfahrens, Maskenformguss-Verfahrens, Feinguss-Verfahrens, Vollformguss-Verfahrens, Druckguss-Verfahrens oder des Lost-Foam-Verfahrens ein.Another particular advantage of the invention is the elimination of the imperative to carry out a special primary molding technique such as spray compacting or thin strip casting to provide a uniform, largely pore-free and segregation-free structure. To establish such a structure, conventional casting processes can be used for the primary shaping process of the alloy according to the invention. Thus, one aspect of the invention includes a method for producing end products or components with a shape close to the end product from the tin-containing copper alloy according to the invention with the aid of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process or lost foam Procedure.
Außerdem schließt ein Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Bändern, Blechen, Platten, Bolzen, Runddrähten, Profildrähten, Rundstangen, Profilstangen, Hohlstangen, Rohren und Profilen aus einer erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung mit Hilfe des Kokillengussverfahrens oder des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Stranggussverfahrens ein.In addition, one aspect of the invention includes a method for the production of strips, sheets, plates, bolts, round wires, profile wires, round bars, profile bars, hollow bars, tubes and profiles from a material according to the invention tin-containing copper alloy with the help of the permanent mold casting process or the continuous or semi-continuous continuous casting process.
Es ist bemerkenswert, dass nach dem Kokillenguss oder Strangguss der Formate aus der erfindungsgemäßen Legierung auch keine aufwendigen Schmiedeprozesse und/oder Stauchprozesse bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden müssen, um Poren und Risse im Material zu verschweißen, also zu schließen.It is noteworthy that after chill casting or continuous casting of the formats made of the alloy according to the invention, no complex forging processes and / or upsetting processes have to be carried out at elevated temperature in order to weld, i.e. close, pores and cracks in the material.
Außerdem besteht bei der Erfindung zur Gewährleistung einer hinreichenden Warmumformbarkeit nicht mehr die zwingende Notwendigkeit, durch Homogenisierungsglühen oder Lösungsglühen die je nach Sn-Gehalt vorhandene Sn-reiche δ-Phase feiner im Gefüge zu verteilen oder aufzulösen und somit zu beseitigen. Die ohnehin schon im Gussgefüge der erfindungsgemäßen Legierung mit entsprechendem Sn-Gehalt gleichmäßig und fein verteilte δ-Phase übernimmt eine wesentliche Funktion für die Gebrauchseigenschaften der Legierung.In addition, in order to ensure sufficient hot formability, the invention no longer has the imperative to distribute or dissolve and thus eliminate the Sn-rich δ phase in the structure by means of homogenization annealing or solution annealing, depending on the Sn content. The δ phase, which is evenly and finely distributed in the cast structure of the alloy according to the invention with a corresponding Sn content, assumes an essential function for the performance properties of the alloy.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Weiterverarbeitung des Gusszustandes die Durchführung von zumindest einer Warmumformung im Temperaturbereich von 600 bis 880°C umfassen.In a preferred embodiment of the invention, the further processing of the as-cast state can include performing at least one hot forming in the temperature range from 600 to 880.degree.
Vorteilhafterweise kann die Abkühlung der Halbzeuge und Bauteile nach der Warmumformung an beruhigter oder beschleunigter Luft oder mit Wasser erfolgen.Advantageously, the semi-finished products and components can be cooled after hot forming in calmed or accelerated air or with water.
Vorteilhafterweise kann zumindest eine Glühbehandlung des Gusszustandes und/oder des warmumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 200 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden, alternativ mit einer Abkühlung an beruhigter oder beschleunigter Luft oder mit Wasser, durchgeführt werden.Advantageously, at least one annealing treatment of the as-cast state and / or the hot-formed state of the invention in the temperature range from 200 to 880 ° C with a duration of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calm or accelerated air or with water, can be carried out.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zur Weiterverarbeitung des Gusszustandes oder des warmumgeformten Zustandes oder des geglühten Gusszustandes oder des geglühten warmumgeformten Zustandes, das die Durchführung von zumindest einer Kaltumformung umfasst.One aspect of the invention relates to an advantageous method for further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state, which comprises performing at least one cold forming.
Bevorzugt kann zumindest eine Glühbehandlung des kaltumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 200 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden durchgeführt werden.Preferably, at least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 200 to 880 ° C. for a duration of 10 minutes to 6 hours.
Vorteilhafterweise kann eine Entspannungsglühung/Auslagerungsglühung in dem Temperaturbereich von 200 bis 650°C mit der Dauer von 0,5 bis 6 Stunden durchgeführt werden.Stress relief annealing / aging annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 200 to 650 ° C. for a period of 0.5 to 6 hours.
Die Matrix des gleichmäßigen Gefüges der Erfindung besteht aus duktiler α-Phase mit je nach Sn-Gehalt der Legierung aus Anteilen der δ-Phase. Die δ-Phase führt durch ihre hohe Festigkeit und Härte zum hohen Widerstand der Legierung gegen den abrasiven Verschleiß. Außerdem vergrößert die δ-Phase aufgrund ihres hohen Sn-Gehaltes, woraus ihre Neigung zur Ausbildung einer Triboschicht resultiert, die Beständigkeit des Werkstoffes gegenüber dem adhäsiven Verschleiß. In der metallischen Grundmasse sind die Hartpartikel eingelagert. In weiteren Ausführungen der Erfindung kommen noch in der metallischen Grundmasse ausgeschiedene Fe- und/oder Mg-haltige Phasen hinzu.The matrix of the uniform structure of the invention consists of a ductile α-phase with proportions of the δ-phase depending on the Sn content of the alloy. Due to its high strength and hardness, the δ phase leads to the alloy's high resistance to abrasive wear. In addition, due to its high Sn content, which results in its tendency to form a tribo-layer, the δ phase increases the resistance of the material to adhesive wear. The hard particles are embedded in the metallic matrix. In further embodiments of the invention, Fe and / or Mg-containing phases precipitated in the metallic base material are added.
Dieses heterogene Gefüge, bestehend aus einer metallischen Grundmasse aus α- und δ-Phase, in der Ausscheidungen großer Härte eingelagert sind, verleiht dem Erfindungsgegenstand eine herausragende Eigenschaftskombination. In diesem Zusammenhang zu nennen sind: Hohe Festigkeitswerte und Härtewerte bei gleichzeitig sehr guter Zähigkeit, ausgezeichnete Warmumformbarkeit, ausreichende Kaltumformbarkeit, hohe Temperaturbeständigkeit des Gefüges mit daraus resultierender hoher Warmfestigkeit und hoher Spannungsrelaxationsbeständigkeit, eine für viele Anwendungen ausreichende elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie ein großer Widerstand gegen die Verschleißmechanismen Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung sowie gegen den Schwingreibverschleiß, dem sogenannten fretting.This heterogeneous structure, consisting of a metallic base mass of α- and δ-phase, in which precipitates of great hardness are embedded, gives the subject matter of the invention an outstanding combination of properties. In this context, the following should be mentioned: high strength values and hardness values combined with very good toughness, excellent hot formability, sufficient cold formability, high temperature resistance of the structure with the resulting high heat resistance and high stress relaxation resistance, electrical conductivity sufficient for many applications, high corrosion resistance and high resistance to the wear mechanisms of abrasion, adhesion and surface disruption as well as to the so-called fretting.
Aufgrund des gleichmäßigen und feinkörnigen Gefüges mit einer weitgehenden Porenfreiheit, Rissfreiheit und Seigerungsfreiheit und dem Gehalt an Hartpartikeln besitzt die erfindungsgemäße Legierung schon im Gusszustand ein hohes Maß an Festigkeit, Härte, Duktilität, komplexer Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Aus diesem Grunde besitzt die erfindungsgemäße Legierung schon im Gusszustand ein großes Einsatzspektrum.Due to the uniform and fine-grain structure with an extensive absence of pores, freedom from cracks and segregation and the content of hard particles, the alloy according to the invention has a high degree of strength, hardness, ductility, complex wear resistance and corrosion resistance even in the as-cast state. For this reason, the alloy according to the invention has a wide range of uses even in the as-cast state.
Es ergibt sich die besondere Eignung der erfindungsgemäßen Legierung als Verschleißschutzschicht, die beispielsweise auf einen Grundkörper aus Stahl aufgeschmolzen wird. Diesbezüglich ist hervorzuheben, dass die Behandlungstemperaturen für Vergütungsstähle (Härten 820 bis 860°C, Anlassen 540 bis 660°C; DIN EN 10083-1) in dem Wärmebehandlungsbereich der Erfindung liegen. Dies bedeutet, dass nach dem Aufschmelzen der zinnhaltigen Kupferlegierung auf einen Grundkörper aus Vergütungsstahl die mechanischen Eigenschaften beider Verbundpartner in nur einem Behandlungsschritt optimiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass beim Aufschmelzprozess die Ausbildung einer offenen Porosität unterdrückt wird, wodurch die Druckfestigkeit der Verschleißschutzschicht erhöht wird.This results in the particular suitability of the alloy according to the invention as a wear protection layer, which is melted, for example, onto a base body made of steel. In this regard, it should be emphasized that the treatment temperatures for quenched and tempered steels (hardening 820 to 860 ° C., tempering 540 to 660 ° C.; DIN EN 10083-1) are in the heat treatment range of the invention. This means that after the tin-containing copper alloy has been melted onto a base body made of heat-treated steel, the mechanical properties of both composite partners can be optimized in just one treatment step. Another advantage is that the formation of open porosity is suppressed during the melting process, which increases the compressive strength of the wear protection layer.
Außer dem Aufschmelzen kommen auch weitere Fügeverfahren in Betracht. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang auch eine Verbundherstellung mittels Schmieden, Löten oder Schweißen mit der wahlweisen Durchführung von zumindest einer Glühung im Temperaturbereich von 200 bis 880°C. Ebenso können beispielsweise Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen durch Walzplattieren, induktives oder konduktives Walzplattieren oder durch Laser-Walzplattieren hergestellt werden.In addition to melting, other joining processes can also be considered. In this context, a composite production by means of forging, soldering or welding with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 200 to 880 ° C. would also be conceivable. Likewise, for example, composite bearing shells or composite bearing bushings can be produced by roll cladding, inductive or conductive roll cladding or by laser roll cladding getting produced.
Bereits aus den Gussformaten in Bandform, Blechform, Plattenform, Bolzenform, Drahtform, Stangenform, Rohrform oder Profilform können Gleitelemente und Führungselemente in Verbrennungsmotoren, Ventilen, Turbolader, Getrieben, Abgasnachbehandlungsanlagen, Hebelsysteme, Bremssysteme und Gelenksystemen, hydraulischen Aggregaten oder in Maschinen und Anlagen des allgemeinen Maschinenbaus hergestellt werden. Mittels einer Weiterverarbeitung des Gusszustandes lassen sich für diese Anwendungszwecke Halbzeuge und Bauteile mit komplizierter Geometrie und gesteigerten mechanischen Eigenschaften und optimierten Verschleißeigenschaften herstellen. Damit wird den erhöhten Bauteilanforderungen bei einer dynamischen Beanspruchung Rechnung getragen.Sliding elements and guide elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, transmissions, exhaust gas aftertreatment systems, lever systems, brake systems and joint systems, hydraulic units or in machines and systems in general can already be made from casting formats in strip form, sheet metal form, plate form, bolt form, wire form, rod form, tube form or profile form Mechanical engineering are produced. By means of further processing of the as-cast state, semi-finished products and components with complicated geometry and increased mechanical properties and optimized wear properties can be produced for these purposes. This takes into account the increased component requirements in the event of dynamic loading.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt eine Verwendung der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung für Bauelemente, Leitungselemente, Führungselemente und Verbindungselemente in der Elektronik/Elektrotechnik ein.Another aspect of the invention includes a use of the tin-containing copper alloy according to the invention for components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics / electrical engineering.
Durch die herausragenden Festigkeitseigenschaften und die Verschleißbeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung kommt eine weitere Anwendungsmöglichkeit in Betracht. So ist die Erfindung für die metallenen Gegenstände in Konstruktionen für die Aufzucht von im Meerwasser lebenden Organismen (Aquaculture) geeignet. Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt eine Verwendung der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung für Propeller, Flügel, Schiffsschrauben und Naben für den Schiffbau, für Gehäuse von Wasserpumpen, Ölpumpen und Kraftstoffpumpen, für Leiträder, Laufräder und Schaufelräder für Pumpen und Wasserturbinen, für Zahnräder, Schneckenräder, Schraubenräder sowie für Druckmuttern und Spindelmuttern sowie für Rohre, Dichtungen und Verbindungsbolzen in der maritimen und chemischen Industrie ein.Due to the excellent strength properties and the wear resistance and corrosion resistance of the tin-containing copper alloy according to the invention, another possible application is possible. Thus, the invention is suitable for the metal objects in structures for the rearing of organisms living in seawater (aquaculture). Another aspect of the invention includes a use of the tin-containing copper alloy according to the invention for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding, for housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps, for idlers, impellers and paddle wheels for pumps and water turbines, for gears, worm wheels, helical gears as well as for pressure nuts and spindle nuts as well as for pipes, seals and Connecting bolts in the maritime and chemical industry.
Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung von Schlaginstrumenten ist der Werkstoff von großer Bedeutung. Insbesondere Becken, sogenannte Cymbals, hochwertiger Qualität werden aus zinnhaltigen Kupferlegierungen mittels Warmumformung und zumindest einer Glühung gefertigt, bevor sie zumeist mittels einer Glocke oder einer Schale in die Endform gebracht werden. Anschließend werden die Becken nochmals geglüht, bevor deren spanende Endbearbeitung erfolgt. Die Herstellung der verschiedenen Varianten der Becken, beispielsweise Ride-Becken, Hi-Hat, Crash-Becken, China-Becken, Splash-Becken und Effekt-Becken, erfordert demnach eine besonders vorteilhafte Warmumformbarkeit des Materials, die durch die erfindungsgemäße Legierung gewährleistet wird. Innerhalb der Bereichsgrenzen der chemischen Zusammensetzung der Erfindung können unterschiedliche Gefügeanteile für die δ-Phase und für die Hartpartikel in einer sehr weiten Spanne eingestellt werden. Auf diese Weise ist es schon legierungsseitig möglich, auf das Klangbild der Becken einzuwirken.The material is of great importance for the use of the alloy according to the invention for the production of percussion instruments. Basins in particular, so-called cymbals, of high quality are made from tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are usually brought into their final shape by means of a bell or a bowl. The basins are then annealed again before they are finally machined. The production of the different variants of the pools, for example ride pools, hi-hats, crash pools, china pools, splash pools and effect pools, therefore requires a particularly advantageous hot formability of the material, which is ensured by the alloy according to the invention. Different structural proportions for the δ phase and for the hard particles can be set within a very wide range within the range limits of the chemical composition of the invention. In this way, it is already possible on the alloy side to influence the sound of the cymbals.
Weitere wichtige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Tabellen 1 bis 11 erläutert. Es wurden Gussblöcke der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung durch Kokillenguss hergestellt. Die chemische Zusammensetzung der Abgüsse geht aus Tab. 1 und 3 hervor.Further important exemplary embodiments of the invention are explained with reference to Tables 1 to 11. Ingots of the tin-containing copper alloy according to the invention were produced by permanent mold casting. The chemical composition of the casts is shown in Tables 1 and 3.
In der Tab. 1 ist die chemische Zusammensetzung der Legierungsvarianten 1 und 2 dargestellt. Diese Werkstoffe sind durch einen Sn-Gehalt von ca. 7 Gew.-%, einen P-Gehalt von 0,015 Gew.-% sowie durch ein verschiedenes Elementverhältnis der Elemente Silicium und Bor und einem Rest Kupfer gekennzeichnet.
Nach dem Gießen ist das Gefüge der Ausführungsbeispiele 1 und 2 durch eine sehr gleichmäßige, zumeist inselförmige Verteilung eines verhältnismäßig kleinen Anteils der δ-Phase (ca. 15 bis 20 Vol.-%) sowie der Hartpartikel geprägt. Das Gefüge des Gusszustandes der Legierung 1 ist in
Die Härte dieser Legierungssorten liegt bei 105 HB für die Leg. 1 und bei 98 HB für die Legierung 2 (Tab. 2).
In der Tab. 3 ist die chemische Zusammensetzung einer weiteren Legierungsvariante 3 ersichtlich. Dieser Werkstoff enthält neben ca. 15 Gew.-% Sn und 0,024 Gew.-% P die weiteren Elemente Si (0,77 Gew.-%) und Bor (0,20 Gew.-%).
Die Erfindung ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge im Gusszustand mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung, abhängig vom Gieß-/Abkühlungsprozess, aus zunehmenden Anteilen an δ-Phase besteht. Die Anordnung dieser Sn-reichen δ-Phase geht von einer fein verteilten Inselform mit Erhöhung des Sn-Gehaltes der Legierung in eine dichte Netzform über. Im Gussgefüge der Legierungssorte 3 liegt die δ-Phase mit einem deutlich höheren Gehalt vor (bis ca. 70 Vol.-%). Dieses Gefüge geht aus
Die Zunahme der Härte des Werkstoffes mit steigendem Sn-Gehalt wird durch den deutlich höheren Wert von 190 HB der Legierung 3 ausgedrückt (Tab. 4).
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bändern, Blechen, Platten, Bolzen, Drähten, Stangen, Rohren und Profilen aus der erfindungsgemäßen zinnhaltigen Kupferlegierung mit Hilfe des Kokillengießverfahrens oder des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Stranggießverfahrens.One aspect of the invention relates to a method for producing strips, sheets, plates, bolts, wires, rods, tubes and profiles from the tin-containing copper alloy according to the invention with the aid of the permanent mold casting process or the continuous or semi-continuous continuous casting process.
Die erfindungsgemäße Legierung kann zudem einer Weiterverarbeitung unterzogen werden. Einerseits wird dadurch die Herstellung bestimmter und oftmals komplizierter Geometrien ermöglicht. Andererseits wird auf diese Weise der Forderung nach einer Verbesserung der komplexen Betriebseigenschaften der Werkstoffe besonders für verschleißbeanspruchte Bauteile und für Bau- und Verbindungselemente in der Elektronik/Elektrotechnik entsprochen, da es in den entsprechenden Maschinen, Motoren, Getrieben, Aggregaten, Konstruktionen und Anlagen zu einer stark zunehmenden Beanspruchung der Systemelemente kommt. Im Zuge dieser Weiterverarbeitung wird eine signifikante Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften und /oder eine wesentliche Erhöhung von Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze Rp0,2 und Härte erzielt.The alloy according to the invention can also be subjected to further processing. On the one hand, this enables the production of specific and often complex geometries. On the other hand, in this way the demand for an improvement of the complex operating properties of the materials, especially for components subject to wear and for structural and connecting elements in electronics / electrical engineering, is met, since it is a one in the corresponding machines, motors, gears, assemblies, constructions and systems strongly increasing stress on the system elements comes. In the course of this further processing, a significant improvement in the toughness properties and / or a substantial increase in tensile strength R m , yield strength R p0.2 and hardness is achieved.
Aufgrund der ausgezeichneten Warmumformbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung kann die Weiterverarbeitung des Gusszustandes vorteilhafterweise die Durchführung von zumindest einer Warmumformung im Temperaturbereich von 600 bis 880°C umfassen. Mittels Warmwalzen können Platten, Bleche und Bänder hergestellt werden. Das Strangpressen ermöglicht die Fertigung von Drähten, Stangen, Rohren und Profilen. Schließlich sind die Schmiedeverfahren geeignet, um endformnahe Bauteile mit zum Teil komplizierter Geometrie herzustellen.Due to the excellent hot formability of the alloy according to the invention, the further processing of the as-cast state can advantageously include carrying out at least one hot forming in the temperature range from 600 to 880.degree. Plates, sheets and strips can be produced using hot rolling. Extrusion enables the production of wires, bars, tubes and profiles. Finally, forging processes are suitable for producing near-net-shape components with sometimes complex geometry.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Weiterverarbeitung des Gusszustandes oder des warmumgeformten Zustandes oder des geglühten Gusszustandes oder des geglühten warmumgeformten Zustandes umfasst die Durchführung von zumindest einer Kaltumformung. Mit diesem Verfahrensschritt werden insbesondere die Werkstoffkennwerte Rm, Rp0,2 sowie die Härte signifikant erhöht. Dies ist für die Anwendungsfälle bedeutsam, bei denen es zu einer mechanischen Beanspruchung und/oder zu einer intensiven abrasiven und adhäsiven Verschleißbeanspruchung der Bauelemente kommt. Weiterhin werden die Federeigenschaften der Bauelemente aus der erfindungsgemäßen Legierung infolge einer Kaltumformung wesentlich verbessert.A further advantageous possibility of further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state comprises carrying out at least one cold forming. With this process step, in particular the material parameters R m , R p0.2 and the hardness are significantly increased. This is important for applications in which there is mechanical stress and / or intensive abrasive and adhesive wear and tear on the components. Furthermore, the spring properties of the components made of the alloy according to the invention are significantly improved as a result of cold forming.
Zur entsprechenden Rekristallisation des Gefüges der Erfindung nach einer Kaltumformung kann zumindest eine Glühbehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden durchgeführt werden. Die somit entstehende sehr feinkörnige Struktur stellt eine wichtige Voraussetzung dar, um die Eigenschaftskombination aus hoher Festigkeit und Härte und aus hinreichender Zähigkeit des Werkstoffes herzustellen.For the corresponding recrystallization of the structure of the invention after cold forming, at least one annealing treatment can be carried out in a temperature range from 200 to 880 ° C. with a duration of 10 minutes to 6 hours. The resulting very fine-grained structure is an important prerequisite for producing the combination of properties of high strength and hardness and sufficient toughness of the material.
Für eine Absenkung der Eigenspannungen der Bauteile kann vorteilhafterweise zusätzlich eine Entspannungs-/Auslagerungsglühung in einem Temperaturbereich von 200 bis 650°C mit der Dauer von 0,5 bis 6 Stunden durchgeführt werden.In order to lower the internal stresses of the components, an additional stress relief / aging anneal can advantageously be carried out in a temperature range from 200 to 650 ° C. with a duration of 0.5 to 6 hours.
Für die Einsatzgebiete mit einer besonders starken komplexen Bauteilbeanspruchung kann eine Weiterverarbeitung gewählt werden, welche zumindest eine Kaltumformung oder die Kombination von zumindest einer Warmumformung und zumindest einer Kaltumformung in Verbindung mit zumindest einer Glühung in einem Temperaturbereich von 200 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden umfasst und zu einem rekristallisierten Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung führt. Die auf diese Weise eingestellte feinkörnige Struktur der Legierung gewährleistet eine Kombination aus hoher Festigkeit, hoher Härte und guten Zähigkeitseigenschaften. Zusätzlich kann zur Absenkung der Eigenspannungen der Bauteile eine Entspannungsglühbehandlung im Temperaturbereich von 200 bis 650°C mit der Dauer von 0,5 bis 6 Stunden erfolgen.For areas of application with particularly high, complex component stress, further processing can be selected that includes at least cold forming or a combination of at least one hot forming and at least one cold forming in connection with at least one annealing in a temperature range of 200 to 880 ° C with a duration of 10 Minutes to 6 hours and leads to a recrystallized structure of the alloy according to the invention. The fine-grain structure of the alloy adjusted in this way ensures a combination of high strength, high hardness and good toughness properties. In addition, a stress relief annealing treatment in the temperature range from 200 to 650 ° C with a duration of 0.5 to 6 hours can be carried out to reduce the internal stresses of the components.
Zur Fertigung von bandförmigen Halbzeugen aus den Ausführungsbeispielen 1 und 2 (Tab. 1) wurden drei verschiedene Herstellungsabfolgen ausgewählt. Sie unterscheiden sich vornehmlich in der Anzahl der Kaltumform-/Glühzyklen sowie in der Höhe der angewendeten Kaltumformgrade und Glühtemperaturen (Tab. 5).
Nach dem Kokillenabguss und dem Warmwalzen waren die entsprechenden Blöcke oder Halbzeuge durch eine außergewöhnlich glatte Oberfläche gekennzeichnet. Infolge der während des Warmwalzprozesses stattgefundenen dynamischen Rekristallisation des Gefüges wies der warmumgeformte Zustand beider Legierungsvarianten 1 und 2 eine hervorragende Kaltumformbarkeit auf. So konnten die warmgewalzten Platten mit einer Kaltumformung ε von ca. 70 % rissfrei kaltgewalzt werden.After chill casting and hot rolling, the corresponding blocks or semi-finished products were characterized by an exceptionally smooth surface. As a result of the dynamic recrystallization of the structure that took place during the hot rolling process, the hot-formed state of both
Im Verlaufe der Fertigung 1 wurden die kaltgewalzten Bänder bei der Temperatur von 280°C mit einer Dauer von 2 h geglüht. Die Kennwerte der somit entspannten Bänder gehen aus der Tab. 6 hervor. Trotz hoher Festigkeits- und Härtewerte besitzen die Bänder beider Legierungen ausgesprochen gute Zähigkeitseigenschaften, für die die hohen Werte für die Bruchdehnung A5 das Maß darstellen.
Einen Hinweis auf die Bedeutung des Elementverhältnisses Si/B der Elemente Silicium und Bor liefert der Vergleich der einzelnen Daten der Bänder aus den Legierungen 1 und 2. Aufgrund des höheren Si/B-Verhältnisses der Legierung 1 von ca. 2,5 bilden sich während des Gießens und während der thermischen und thermomechanischen Herstellungsschritte verstärkt die Borsilikate, Phosphorsilikate und/oder Borphosphorsilikate. Aus diesem Grunde wurde in verschiedenen Tests die Überlegenheit der Legierung 1 hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zur Legierung 2 festgestellt. Außerdem liegen die Werte für Rm und Rp0,2 der Bänder aus der Legierung 1 auf deutlich höherem Niveau. Infolge des mit ca. 0,5 kleineren Si/B-Verhältnisses wurde im Gefüge der Legierung 2 ein höherer Si-Gehalt in den Hartpartikeln gebunden. Daraus ergibt sich besonders eine höhere elektrische Leitfähigkeit sowie eine gesteigerte Bruchdehnung A5, wodurch sich eine bessere Duktilität der Legierung 2 ergibt. Schon die Resultate der Fertigung 1 lassen erkennen, dass sich mit einer Variation der chemischen Zusammensetzung der Erfindung die Eigenschaften exakt auf die jeweiligen Anwendungsfelder anpassen lassen.An indication of the importance of the element ratio Si / B of the elements silicon and boron is provided by the comparison of the individual data for the strips from
Im Rahmen der Fertigung 2 wurden die Bänder der Legierungsvarianten 1 und 2 nach dem ersten Kaltwalzen bei 680°C für 3 Stunden geglüht. Anschließend erfolgte das Kaltwalzen der Bänder mit einer Kaltumformung ε von ca. 60 %. Zum Abschluss der Fertigung wurden die Bänder bei verschiedenen Temperaturen zwischen 280 und 400°C thermisch entspannt. Die Kennwerte der resultierenden Werkstoffzustände sind in der Tab. 7 aufgelistet.As part of
Wie nach durchlaufener Fertigung 1 zeigen die Zustände des Ausführungsbeispiels 1 die höheren Festigkeitswerte, wogegen das Ausführungsbeispiel 2 durch höhere Werte für die elektrische Leitfähigkeit und für die Bruchdehnung A5 auszeichnet. Des Weiteren ist aus der Tab. 7 zu entnehmen, dass das Gefüge der bei 280°C entspannten Bänder Verformungsmerkmale beinhalten, weshalb kein Wert für die Korngröße angegeben werden konnte. Bei ca. 340°C setzt die Rekristallisation des Gefüges ein, die zu einem starken Abfall der Festigkeiten und der Härte führt.
Aus diesem Grunde wurde im Rahmen der Fertigung 3 die Temperatur der Glühung nach der ersten Kaltumformung auf 450°C herabgesetzt. Nach der dreistündigen Glühung bei dieser Temperatur erfolgte das Kaltwalzen der Bänder mit der Kaltumformung ε von etwa 30 %. Die abschließende zweistündige Entspannungsglühung bei Temperaturen zwischen 240 und 360°C führte zu den Kennwerten, die in der Tab. 8 dargestellt sind.For this reason, the annealing temperature after the first cold forming was reduced to 450 ° C. in
Das Gefüge bei 500-facher Vergrößerung des bei 240°C/2h entspannten Endzustandes des Bandes des Ausführungsbeispiels 1 ist in
Die Resultate verweisen auf ein vollständig rekristallisiertes Gefüge mit äußerst hohen Werten für die Festigkeit und die Härte. Dennoch zeigen die hohen Werte für die Bruchdehnung A5 die hervorragende Duktilität der Werkstoffzustände an. Auch nach der Fertigung 3 liegen die Festigkeitswerte der Zustände der Legierung 1 oberhalb der der Legierung 2. Demgegenüber bieten die Zustände der Legierung 2 Vorteile hinsichtlich der Bruchdehnung A5 und der elektrischen Leitfähigkeit.
Die Bänder des Ausführungsbeispiels 3 der Erfindung, deren chemische Zusammensetzung der Tab. 3 zu entnehmen ist, wurden nach dem Fertigungsprogramm hergestellt, das aus der Tab. 9 hervorgeht. Das Warmwalzen der Kokillenguss-Formate erfolgte bei der Temperatur von 750°C mit anschließender Abkühlung an beruhigter Luft und in Wasser. Der Vorteil einer beschleunigten Abkühlung des warmumgeformten Halbzeugs in Wasser äußert sich in der besseren Kaltumformbarkeit. So kann das warmgewalzte und in Wasser abgeschreckte Band anschließend mit einer Kaltumformung ε von 24 % kaltgewalzt werden. Dagegen erlaubt das Band, das nach dem Warmwalzen an Luft abgekühlt wurde, nur ein Kaltwalzen mit einer Kaltumformung ε von ca. 5 %.
Die Korngröße und die Härte des kaltgewalzten Zustandes sowie des kaltgewalzten und geglühten Zustandes sind in der Tab. 10 dargestellt. Infolge der Glühbehandlung gleichen sich die Gefügeeigenschaften mit steigender Glühtemperaturen auf hohem Niveau an.
Das Gefüge des Bandes 3-A wurde abschließend mit den Parametern 500°C/3h+Luft sowie 600°C/3h+Luft wärmebehandelt und ist in
Das Band 3-B wurde einer Weiterverarbeitung mit mehreren Kaltwalz/Glüh-Zyklen unterzogen. Die Kennwerte der bei verschiedenen Temperaturen entspannten Endzustände sind in Tab. 11 aufgelistet.The strip 3-B was subjected to further processing with several cold rolling / annealing cycles. The characteristic values of the final states relaxed at different temperatures are listed in Tab. 11.
Mit jedem Zyklus, der aus einem Kaltwalzschritt und einer Glühbehandlung besteht, wird das Gefüge des Ausführungsbeispiels 3 der Erfindung fortschreitend zeilig verstreckt. Die zeilenartige Anordnung des, bedingt durch den hohen Sn-Gehalt der Legierung, sehr hohen δ-Anteils führt zu hohen Härtewerten nahe der 300 HV1. Gleichzeitig nimmt der spröde Charakter der Legierung zu, was durch die sehr niedrigen Werte für die Bruchdehnung A11,3 ausgedrückt wird.
Resultierend lässt sich schlussfolgern, dass die erfindungsgemäße Legierung über den gesamten Bereich des Sn-Gehaltes von 4 bis 23 % Sn eine ausgezeichnete Gießbarkeit und Warmumformbarkeit aufweist. Auch die Kaltumformbarkeit liegt auf einem hohen Niveau. Allerdings verschlechtert sich naturgemäß aufgrund des ansteigenden δ-Anteils des Gefüges die Duktilität der Erfindung mit steigendem Sn-Gehalt.As a result, it can be concluded that the alloy according to the invention has excellent castability and hot formability over the entire range of Sn content from 4 to 23% Sn. The cold formability is also at a high level. However, due to the increasing δ component of the structure, the ductility of the invention naturally deteriorates with increasing Sn content.
- 11
- Sn-reiche δ-PhaseSn-rich δ-phase
- 22
- Hartpartikel, die von Zinn und/oder der Sn-reichen ö-Phase ummantelt sindHard particles that are coated by tin and / or the Sn-rich δ phase
- 33
- Kupfer-Mischkristall, bestehend aus zinnarmer α-PhaseCopper mixed crystal, consisting of a low-tin α phase
Claims (18)
- High-strength tin-containing copper alloy with excellent hot-formability and cold-formability, high resistance with respect to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion-resistance and ageing relaxation resistance, comprising (in % by weight):from 4.0 to 23.0% Sn,from 0.5 to 1.5% Si,from 0.005 to 0.6% B,from 0.001 to 0.08% P,optionally also up to a maximum of 2.0% Zn,optionally also up to a maximum of 0.6% Fe,optionally also up to a maximum of 0.5% Mg,optionally also up to a maximum of 0.25% Pb,the balance being copper and inevitable impurities,characterised in that- the ratio Si/B of the element contents of the elements silicon and boron is between 0.3 and 10.
- High-strength tin-containing cast copper alloy with excellent hot-formability and cold-formability, high resistance with respect to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion-resistance and ageing relaxation resistance, comprising (in % by weight):from 4.0 to 23.0% Sn,from 0.05 to 2.0% Si,from 0.005 to 0.6% B,from 0.001 to 0.08% P,optionally also up to a maximum of 2.0% Zn,optionally also up to a maximum of 0.6% Fe,optionally also up to a maximum of 0.5% Mg,optionally also up to a maximum of 0.25% Pb,the balance being copper and inevitable impurities,characterised in that- the ratio Si/B of the element contents of the elements silicon and boron is between 0.3 and 10,- in that after the casting the following structural components are present in the alloy:a) from 1 to 98% by volume Sn-rich δ-phase (1),b) from 1 to 20% by volume Si-containing and B-containing phases (2),c) the balance being copper mixed crystal, comprising tin-poor α-phase (3), wherein the Si-containing and B-containing phases (2) are surrounded by tin and/or the Sn-rich δ-phase (1) ;- in that during casting the Si-containing and B-containing phases (2) which are formed as silicon borides constitute nuclei for a uniform crystallisation during the solidification/cooling of the melt so that the Sn-rich δ-phase (1) is distributed in an insular and/or reticular manner uniformly in the structure;- in that the Si-containing and B-containing phases (2) which are formed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates act as a wear-protection and/or corrosion-protection coating on the semi-finished products and components of the alloy.
- High-strength tin-containing copper alloy in the further processed state with excellent hot-formability and cold-formability, high resistance with respect to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and ageing relaxation resistance, comprising (in % by weight):from 4.0 to 23.0% Sn,from 0.05 to 2.0% Si,from 0.005 to 0.6% B,from 0.001 to 0.08% P,optionally also up to a maximum of 2.0% Zn,optionally also up to a maximum of 0.6% Fe,optionally also up to a maximum of 0.5% Mg,optionally also up to a maximum of 0.25% Pb,the balance being copper and inevitable impurities,characterised in that- the ratio Si/B of the element contents of the elements silicon and boron is between 0.3 and 10,- in that after the further processing of the alloy by means of at least one annealing operation or by means of at least one hot-forming and/or cold-forming operation together with at least one annealing operation the following structural components are present in the alloy:a) up to 75% by volume Sn-rich δ-phase (1),b) from 1 to 20% by volume Si-containing and B-containing phases (2),c) the balance being copper mixed crystal, comprising tin-poor α-phase (3), wherein the Si-containing and B-containing phases (2) are surrounded by tin and/or the Sn-rich δ-phase (1) ;- in that the contained Si-containing phases and B-containing phases (2) which are formed as silicon borides constitute nuclei for a static and dynamic recrystallisation of the structure during the further processing of the alloy, whereby the production of a uniform and fine-grained structure is present;- in that the Si-containing and B-containing phases (2) which are formed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates act as a wear-protection and/or corrosion-protection coating on the semi-finished products and components of the alloy.
- Tin-containing copper alloy according to either claim 2 or claim 3, characterised in that the element silicon is contained at from 0.05 to 1.5%.
- Tin-containing copper alloy according to any one of claims 2 to 4, characterised in that the element silicon is contained at from 0.5 to 1.5%.
- Tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the element boron is contained at from 0.01 to 0.6%.
- Tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the element phosphorus is contained at from 0.001 to 0.05%.
- Tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the alloy is free from lead with the exception of any inevitable impurities.
- Method for producing end products and components with a form close to an end product comprising a tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 8 using the sand-casting method, shell-mould casting method, fine-casting method, full-mould casting method, die-casting method or the lost-foam method.
- Method for producing strips, metal sheets, plates, pins, round wires, profiled wires, round rods, profiled rods, hollow rods, pipes and profiles from a tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 8, using the chill casting method or the continuous or semi-continuous strand casting method.
- Method according to claim 10, characterised in that the further processing of the cast state involves carrying out at least one hot-forming in the temperature range from 600 to 880°C.
- Method according to any one of claims 9 to 11, characterised in that at least one annealing processing operation is carried out in the temperature range from 200 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
- Method according to any one of claims 10 to 12, characterised in that the further processing of the cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state involves carrying out at least one cold-forming operation.
- Method according to claim 13, characterised in that at least one annealing processing operation is carried out in the temperature range from 200 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
- Method according to claim 13 or 14, characterised in that a stress-relieving annealing operation/ageing annealing operation is carried out in the temperature range from 200 to 650°C with a duration of from 0.5 to 6 hours.
- Use of the tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 8 for gibs and sliding rails, for friction rings and friction discs, for plain bearing surfaces in composite components, for sliding elements and guiding elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, gear mechanisms, exhaust gas reprocessing systems, lever systems, braking systems and articulation systems, hydraulic units or in machines and installations of general mechanical engineering.
- Use of the tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 8 for structural elements, conduction elements, guiding elements and connection elements in electronics/electrical engineering.
- Use of the tin-containing copper alloy according to any one of claims 1 to 8 for metal objects in the breeding of organisms which live in seawater, for percussion instruments, for propellers, wings, ship propellers and hubs for ship construction, for housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps, for guide wheels, impellers and paddle wheels for pumps and water turbines, for gears, worm gears, helical gears and for pressure nuts and spindle nuts and for pipes, seals and connection bolts in the maritime and chemical industry.
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