EP3485050B1 - Copper-nickel-tin alloy, method for the production and use thereof - Google Patents

Copper-nickel-tin alloy, method for the production and use thereof Download PDF

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EP3485050B1
EP3485050B1 EP17736568.1A EP17736568A EP3485050B1 EP 3485050 B1 EP3485050 B1 EP 3485050B1 EP 17736568 A EP17736568 A EP 17736568A EP 3485050 B1 EP3485050 B1 EP 3485050B1
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nickel
borides
alloy
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/02Alloys based on copper with tin as the next major constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/06Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a copper-nickel-tin alloy with excellent castability, hot workability and cold workability, 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 or 2, a method their production according to the preamble of claims 9 or 10 and their use according to the preamble of claims 16 to 18.
  • the binary copper-tin alloys Due to their good strength properties, their good corrosion resistance and conductivity for heat and electricity, the binary copper-tin alloys are of great importance in mechanical engineering and vehicle construction as well as in many areas of electronics and electrical engineering.
  • This group of materials has a high resistance to abrasive wear.
  • the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which is why they are extremely suitable for sliding elements in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering.
  • the copper-nickel-tin alloys have compared to the binary copper-tin materials improved mechanical properties such as hardness, tensile strength and yield point.
  • the increase in the mechanical characteristics is achieved through the hardenability of the Cu-Ni-Sn alloys.
  • the precipitation processes are essential for the adjustment of the properties of this group of materials.
  • These copper alloys also include the copper-nickel-tin materials. Therefore, to ensure cold working of the as-cast condition of such alloys, a strip casting process with precise control of the solidification rate of the melt is recommended.
  • Dynamic friction wear also known as fretting in technical terms, is friction wear that occurs between oscillating contact surfaces.
  • fretting In addition to the geometric wear or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion.
  • the damage to the material can significantly reduce the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Fatigue cracks can emanate from the damaged component surface, leading to fatigue fractures/friction fractures. In the case of fretting corrosion, the fatigue strength of a component can fall well below the fatigue limit value of the material.
  • the mechanism of oscillating friction wear is significantly different from the types of sliding wear with unidirectional movement.
  • the effects of corrosion are particularly pronounced in the case of dynamic friction wear.
  • connection elements In motors and machines, electrical connectors are often placed in an environment in which they are subjected to mechanical vibrational movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which, as a result of mechanical loads, carry out movements relative to one another, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to oscillating wear and fretting corrosion of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. A failure of the connector due to fatigue fracture can be the result. Furthermore, due to the fretting corrosion, there is an increase in the contact resistance.
  • a combination of the material properties of wear resistance, ductility and corrosion resistance is therefore decisive for sufficient resistance to dynamic friction wear/fretting corrosion/fretting.
  • U.S. 3,392,017 A is a low-melting copper alloy containing up to 0.4% by weight Si, 1 to 10% by weight Ni, 0.02 to 0.5% by weight B, 0.1 to 1% by weight P and 4 to 25 wt% Sn is known.
  • This alloy can be applied in the form of cast rods as a filler metal to suitable metallic substrate surfaces.
  • the alloy has improved ductility over the prior art and is machinable.
  • this Cu-Sn-Ni-Si-PB alloy can be used for spray deposition.
  • the addition of phosphorus, silicon and boron is intended to improve the self-fluxing properties of the molten alloy and the wetting of the substrate surface and make the use of an additional flux superfluous.
  • the teaching disclosed in this publication specifies a particularly high P content of 0.2 to 0.6% by weight with a mandatory Si content of the alloy of 0.05 up to 0.15% by weight. This underlines the superficial demand for the self-flowing properties of the material. With this high P content, the hot workability of the alloy will be poor and the spinodal segregability of the structure will be insufficient.
  • the size of the hard particles precipitated in a copper-based alloy has a major impact on its wear resistance.
  • the element tin is not contained in this material. This material is applied to a suitable substrate by build-up welding as a wear protection layer.
  • the pamphlet U.S. 5,004,581A describes the same copper alloy as the previous one U.S. 4,818,307 A with an additional content of tin in the content range of 5 to 15% by weight and/or of zinc in the content range of 3 to 30% by weight.
  • the addition of Sn and/or zinc in particular increases the material's resistance to adhesive wear.
  • This material is also applied to a suitable substrate as a wear-resistant layer by means of build-up welding.
  • the copper alloy according to the publications U.S. 4,818,307 A and U.S. 5,004,581A due to the required size of the silicide formations/boride formations of the elements nickel and iron of 5 to 100 ⁇ m only have a very limited cold formability.
  • the publication discloses a precipitation-hardenable copper-nickel-tin alloy U.S. 5,041,176 A out.
  • This copper base alloy contains 0.1 to 10 wt% Ni, 0.1 to 10 wt% Sn, 0.05 to 5 wt% Si, 0.01 to 5 wt% Fe and 0.0001 to 1 % by weight of boron.
  • This material contains dispersely distributed intermetallic phases of the Ni-Si system.
  • the properties of the alloy are also explained using exemplary embodiments that have no Fe content.
  • alloying elements Zn, Mn, Mg, P and B are added to the melt of the alloy for deoxidation.
  • the elements Ti, Cr, Zr, Fe and Co have a grain-refining and strength-enhancing function.
  • alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus By alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus, the reduction in processing technology, which is important high base melting temperature. This is why these alloying additions are used in particular in the field of wear-resistant coating materials and high-temperature materials, which include, for example, the alloys of the Ni-Si-B and Ni-Cr-Si-B systems. In these materials, the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the strong reduction in the melting temperature of hard nickel-based alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-based alloys becomes possible.
  • the silicon borides which are mostly present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and/or SiB n 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 extraordinarily high temperature resistance and oxidation resistance.
  • the modification of SiB 6 which is preferred for sintered products, is used, for example, in the manufacture and processing of ceramics because of its very high hardness and its high abrasive wear resistance.
  • the usual wear-resistant hard alloys for surface coating consist of a relatively ductile matrix of the metals iron, cobalt and nickel with embedded silicides and borides as hard particles ( Knotek, O.; Lugscheider, E.; Reimann, H.: A contribution to the assessment of wear-resistant nickel-boron-silicon hard alloys. Journal of Materials Engineering 8 (1977) 10, pp. 331-335 ).
  • the wide use of hard alloys of the Ni-Cr-Si, Ni-Cr-B, Ni-B-Si and Ni-Cr-B-Si systems is based on the increase in wear resistance caused by these hard particles.
  • the Ni-B-Si alloys also contain the borides Ni 3 B and the Ni-Si borides/Ni silicoborides Ni 6 Si 2 B.
  • a certain inertia is also reported of silicide formation in the presence of the element boron.
  • Further investigations of the alloy system Ni-B-Si led to the detection of the high-melting Ni-Si borides Ni 6 Si 2 B and Ni 4.29 Si 2 B 1.43 ( Lugscheider, E.; Reimann, H.; Knotek, O.: The ternary system nickel-boron-silicon.
  • the element zinc is added to copper-nickel-tin alloys to lower the metal price. Functionally, the alloying element zinc causes the stronger formation of Sn-rich or Ni-Sn-rich phases from the melt. In addition, zinc increases the formation of precipitates in the Cu-Ni-Sn spinodal alloys.
  • a certain Pb content is added to the copper-nickel-tin alloys to improve the emergency running properties and for better machinability.
  • the invention is based on the object of providing a high-strength copper-nickel-tin alloy which has excellent hot workability over the entire range of the nickel content and tin content of 2 to 10% by weight in each case. It should be possible to use a starting material for hot forming that has been produced by means of conventional casting processes without the absolute necessity of carrying out spray compacting or thin-strip casting.
  • the copper-nickel-tin alloy After casting, the copper-nickel-tin alloy should be free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the tin-enriched phase components.
  • the structure of the copper-nickel-tin alloy should already contain intermetallic phases after casting. This is important so that the alloy already has high strength, high hardness and sufficient wear resistance in the cast state.
  • the as-cast state should already be characterized by high corrosion resistance.
  • the as-cast state of the copper-nickel-tin alloy should not first have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot workability.
  • a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear which includes at least one annealing or at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing, a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear.
  • the invention is represented by the features of one of claims 1 or 2 in relation to a copper-nickel-tin alloy, by the features of claims 9 or 10 in relation to a production method and by the features of claims 16 to 18 in relation to a use.
  • the further dependent claims relate to advantageous configurations and developments of the invention.
  • the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the cast structure of the alloy.
  • Segregations of this type are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the cast structure, which are formed as grain boundary segregations which, when the casting is subjected to thermal and/or mechanical stress, cause damage to the structure in the form of cracks that can lead to fracture.
  • the structure is still free of gas pores, shrinkage pores, stress cracks and discontinuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system.
  • the alloy is in the as-cast state.
  • the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
  • the structure is free of segregation.
  • segregations are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the structure, which are formed as grain boundary segregations, which cause damage to the structure in the form of cracks, particularly when the components are subjected to dynamic stress, which can lead to fracture.
  • the structure of the alloy is free of gas pores, shrinkage pores and stress cracks. It should be emphasized as an essential feature of the invention that the microstructure in the further processed state is free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system. In this second variant, the alloy is in the processed state.
  • the invention is based on the consideration that a copper-nickel-tin alloy with Si-containing and B-containing phases and with phases of the systems Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Ni-Si and is provided with other Fe-containing phases. These phases significantly improve the copper-nickel-tin alloy with Si-containing and B-containing phases and with phases of the systems Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Ni-Si and is provided with other Fe-containing phases. These phases significantly improve the
  • the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be produced by means of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process, lost foam process and permanent mold casting process or with the aid of continuous or semi-continuous casting method are produced.
  • the use of process-technically complex and cost-intensive primary shaping techniques is possible, it is not absolutely necessary for the production of the copper-nickel-tin alloy according to the invention.
  • the use of spray compacting or thin-strip casting can be dispensed with.
  • the cast shapes of the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be hot-formed directly over the entire range of Sn content and Ni content, for example by hot rolling, extrusion or forging, without carrying out a homogenization anneal that is absolutely necessary.
  • no complex forging processes or upsetting processes have to be carried out at elevated temperature in order to weld, ie close, pores and cracks in the material. This largely eliminates the processing restrictions that previously existed in the production of semi-finished products and components made of copper-nickel-tin alloys passed.
  • the metallic matrix of the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in the as-cast state with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process, from increasing proportions of tin-enriched phases, which are distributed evenly in the copper mixed crystal (a-phase). are.
  • phase components can be specified with the molecular formula Cu h Ni k Sn m and have a ratio (h+k)/m of the element content in atom % of 2 to 6.
  • the second phase components can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and have a ratio (p+r)/s of the element content in atom % of 10 to 15.
  • the alloy according to the invention is characterized by Si-containing and B-containing phases, which can be divided into two groups.
  • the first group relates to the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n .
  • the "n" in the compound SiB n indicates the high solubility of the element boron in the silicon lattice.
  • the second group of Si-containing and B-containing phases relates to the silicate compounds of borosilicates and/or borophosphorus silicates.
  • the structural proportion of the Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides and borosilicates and/or borophosphorus silicates, is at least 0.01 and maximum 10% by volume.
  • the Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or the Fe-rich particles separate preferentially on the already existing primary nuclei of the silicon borides, Ni—Si borides and the Ni borides and Fe borides, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, as secondary nuclei.
  • Ni-Si borides and the Ni borides are each contained in the structure at 1 to 15% by volume.
  • the Ni phosphides and Ni silicides are each present with a structural proportion of 1 to 5% by volume.
  • the Fe borides, Fe phosphides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles each account for 0.1 to 5% by volume of the microstructure.
  • These phases are referred to below as crystallization nuclei.
  • the element tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents of the metallic matrix preferentially crystallize in the regions of the nuclei, whereby the nuclei are coated by tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents.
  • These crystallization nuclei which are encased by tin and/or the first phase components and/or the second phase components, are referred to below as hard particles of the first class.
  • the hard particles of the first class have a size of less than 80 ⁇ m.
  • the size of the first-class hard particles is less than 50 ⁇ m.
  • the island-like arrangement of the first phase components and/or the second phase components changes into a network-like arrangement in the structure.
  • the first phase components can have a proportion of up to 30% by volume.
  • the second phase components take on a structural proportion of up to 20% by volume.
  • the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the as-cast structure of the alloy.
  • the conventional copper-nickel-tin alloys have a relatively large solidification interval. This large solidification interval increases the risk of gas absorption during casting and causes uneven, coarse, mostly dendritic crystallization of the melt. The result is often gas pores and coarse Sn-rich segregations, at the phase boundary of which shrinkage pores and stress cracks often occur. In this group of materials, the Sn-rich segregations also occur preferentially at the grain boundaries.
  • the combined content of boron, silicon and phosphorus activates various processes in the melt of the alloy according to the invention, which significantly change its solidification behavior compared to conventional copper-nickel-tin alloys.
  • the elements boron, silicon and phosphorus perform a deoxidizing function in the melt of the invention.
  • 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 makes it possible to suppress the disadvantageous effects of sufficient deoxidation of the melt by means of a phosphorus additive.
  • a high P content would further extend the already very large solidification interval of the copper-nickel-tin alloy, which would increase the susceptibility to porosity and segregation of this type of material.
  • the adverse effects of adding phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy of the present invention to the range of 0.001 to 0.15 wt%.
  • the cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the individual phase components.
  • segregations enriched with tin do not occur in the alloy according to the invention, particularly at the grain boundaries.
  • the elements boron, silicon and phosphorus bring about a reduction in the metal oxides.
  • the elements are oxidized themselves, usually rise to the surface of the castings and form a protective layer there as boron silicates and/or boron phosphorus silicates and phosphorus silicates, which protects the castings from gas absorption.
  • Extraordinarily smooth surfaces of the castings made from 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 is the transfer of the effect of boron silicates, boron phosphorus silicates 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-nickel-tin materials. Due to the wide solidification range of these alloys, it occurs between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich Structural areas to large mechanical stresses that can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage characteristics can also occur during hot forming and high-temperature annealing of copper-nickel-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich microstructure components.
  • the combined addition of boron, silicon and phosphorus to the copper-nickel-tin alloy according to the invention causes, on the one hand, a structure with a uniform island-like and/or network-like distribution of the first phase components and/or the second phase components during the solidification of the melt by means of the effect of the crystallization nuclei Phase components of the metallic matrix.
  • the Si-containing and B-containing phases formed during solidification of the melt which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, ensure, together with the phosphorus silicates, the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the first phase components and/or the second Phase components and the copper mixed crystal of the metallic matrix. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.
  • the alloy content of the copper-nickel-tin alloy according to the invention also causes a significant change in the grain structure in the cast state. It could be determined that a substructure with a grain size of the subgrains of less than 30 ⁇ m is formed in the primary cast structure.
  • the alloy according to the invention can be subjected to further processing by annealing or by hot working and/or cold working in addition to at least one annealing.
  • One possibility for further processing of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in converting the castings into the final shape with the required properties by means of at least one cold forming together with at least one annealing.
  • the alloy according to the invention already has high strength in the cast state. As a result, the castings have lower cold formability, which makes further processing more difficult. For this reason, it has proven to be advantageous to carry out a homogenization annealing of the castings before cold forming.
  • accelerated cooling after the homogenization annealing processes has proven to be advantageous. It has been shown that due to the inertia of the precipitation mechanisms and segregation mechanisms, cooling methods with a lower cooling rate can be used in addition to water quenching. The use of accelerated air cooling has thus proven to be just as practicable in order to sufficiently reduce the effect of the precipitation processes and demixing processes in the structure, which increase hardness and increase strength, during the homogenization annealing of the invention.
  • the outstanding effect of the crystallization nuclei for the recrystallization of the structure of the invention can be seen in the structure, which can be adjusted after cold forming by means of annealing in the temperature range from 170 to 880° C. and an annealing time of between 10 minutes and 6 hours.
  • the extraordinarily fine structure of the recrystallized alloy enables further cold forming steps with a degree of forming ⁇ of mostly over 70%. To this In this way, high-strength states of the alloy can be produced.
  • the level of the parameter R p0.2 is significant for the sliding elements and guide elements. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.
  • the structure of the alloy according to the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, regardless of the degree of cold working. It was thus possible to establish for particularly advantageous embodiments of the invention that the microstructure of the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system even with extremely small degrees of cold deformation of less than 20%.
  • the conventional, spinodally separable Cu-Ni-Sn materials are considered to be very difficult or impossible to hot-work.
  • the effect of the crystallization nuclei could also be observed during the process of hot working the copper-nickel-tin alloy according to the invention.
  • Mainly the crystallization nuclei are for it responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during the hot forming of the alloy according to the invention in the temperature range from 600 to 880°C. This results in a further increase in the uniformity and fine-grained structure.
  • the semi-finished products and components can be cooled after hot forming in calmed or accelerated air or with water.
  • an extraordinarily smooth surface of the parts could also be determined after the hot forming of the castings.
  • This observation points to the formation of Si-containing and B-containing phases, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and of phosphorus silicates, which takes place in the material during hot forming.
  • the silicates, together with the crystallization nuclei, also cause the different thermal expansion coefficients of the phases of the metallic matrix of the invention to be equalized during hot working.
  • the surface of the hot-formed parts and the structure were free of cracks and pores, just as they were after casting.
  • At least one annealing treatment of the cast state and/or the hot-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 170 to 880°C for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
  • One aspect of the invention relates to an advantageous method for further processing the as-cast condition or the hot-worked condition or the annealed cast condition or the annealed hot-worked condition State, which includes the implementation of at least one cold forming.
  • At least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can preferably be carried out in the temperature range from 170 to 880° C. for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
  • Stress relief annealing/ageing annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 170 to 550° C. with a duration of 0.5 to 8 hours.
  • crystallization nuclei encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, are referred to below as second-class hard particles.
  • the size of the second-class hard particles decreases in comparison to the size of the first-class hard particles.
  • there is progressive comminution of the hard particles of the second class since these, as the hardest components of the alloy, cannot support the change in shape of the surrounding metallic matrix.
  • the resulting second-class hard particles and/or the resulting segments of the second-class hard particles have a size of less than 40 ⁇ m to even less than 5 ⁇ m, depending on the degree of cold forming.
  • the Ni content and the Sn content of the invention range between 2.0 and 10.0% by weight.
  • a Ni content and/or a Sn content of less than 2.0% by weight would result in insufficient strength and hardness values.
  • the running properties of the alloy would be insufficient under a sliding load.
  • the alloy's resistance to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements.
  • With a Ni content and/or a Sn content of more than 10.0% by weight the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load capacity of the components made from the material is reduced.
  • the content of nickel and tin in the range of 3.0 to 9.0 wt. In this respect, the range of 4.0 to 8.0% by weight each for the content of the elements nickel and tin is particularly preferred for the invention.
  • Ni-containing and Sn-containing copper materials that the degree of spinodal segregation of the structure increases with an increasing Ni/Sn ratio of the element contents in % by weight of the elements nickel and tin. This is valid for a Ni content and a Sn content from about 2% by weight.
  • the mechanism of precipitation formation in the (Cu,Ni)-Sn system becomes more important, which leads to a reduction in the proportion of the spinodally segregated microstructure.
  • One consequence is, in particular, a more pronounced formation of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system as the Ni/Sn ratio decreases.
  • One of the essential features of the copper-nickel-tin alloy according to the invention is the decisive suppression of the influence of the Ni/Sn ratio on the formation of discontinuous precipitations in the structure.
  • the microstructure of the invention largely independent of the Ni/Sn ratio and independent of the aging conditions, there is no precipitation of discontinuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system.
  • the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
  • the element iron is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 1.0% by weight. Iron contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the fine-grain formation of the structure during the casting process.
  • the Fe-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Fe content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are only observed to an insufficient extent. If the Fe content exceeds 1.0% by weight, the structure increasingly contains cluster-like accumulations of Fe-rich particles. The Fe content of these clusters would only be available to a lesser extent for the formation of crystallization nuclei and hard particles. In addition, the toughness properties of the invention would deteriorate. An Fe content of 0.02 to 0.6% by weight is advantageous. An iron content in the range from 0.06 to 0.4% by weight is preferred.
  • Ni-Fe-Si borides and/or Ni-Fe-Si borides can also form in the structure of the alloy according to the invention in addition to the Ni-Si borides.
  • the structure of the invention also contains other Fe-containing phases.
  • these other Fe-containing phases are present as Fe silicides and/or as Fe-rich particles structure.
  • the effect of the crystallization nuclei during the solidification/cooling of the melt, the effect of the crystallization nuclei as recrystallization nuclei and the effect of the silicate-based phases for the purpose of wear protection and corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0 .01% by weight and the boron content is at least 0.002% by weight. On the other hand, if the Si content exceeds 1.5% by weight and/or the B content exceeds 0.45% by weight, the casting performance deteriorates. The excessively high content of crystallization nuclei would make the melt significantly more viscous. In addition, reduced toughness properties of the alloy according to the invention would result.
  • the range for the Si content within the limits of 0.05 to 0.9% by weight is rated as advantageous.
  • a silicon content of 0.1 to 0.6% by weight has proven to be particularly advantageous.
  • a content of 0.01 to 0.4% by weight is considered advantageous for the element boron.
  • a boron content of 0.02 to 0.3 has proven particularly advantageous % by weight.
  • a lower limit for the element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important in order to ensure a sufficient content of Ni-Si borides and of phases containing Si and B, which are in the form of borosilicates and/or borophosphorus silicates.
  • the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 0.4.
  • the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 0.8 is advantageous for the alloy according to the invention.
  • the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 1 is preferred.
  • Important for another important feature of the invention is the determination of an upper limit of 8 for the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight. After casting, parts of the silicon are dissolved in the metallic matrix and bound in the hard particles of the first class.
  • the maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 8 or thermomechanical further processing of the cast state of the alloy-forming silicides to below 3 ⁇ m. Furthermore, this limits the content of silicides. Limiting the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight to the maximum value of 6 has proven to be particularly advantageous in this respect.
  • the precipitation of the crystallization nuclei influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This circumstance underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus causes the melt to be sufficiently thin despite the crystallization nuclei, 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 0.15% by weight.
  • the P content no longer contributes to ensuring sufficient castability of the invention. If the phosphorus content of the alloy assumes values above 0.15% by weight, then on the one hand an excessive Ni content is bound in the form of phosphides, which reduces the spinodal segregability of the structure. On the other hand, with a P content above 0.15% by weight, the hot workability of the invention would deteriorate significantly. For this reason, a P content of 0.01 to 0.15% by weight has proven particularly advantageous. A P content in the range from 0.02 to 0.09% by weight is preferred.
  • the alloying element phosphorus is very important for another reason. Together with the required maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 8, it is due to the phosphorus content of the alloy that after further processing of the invention Ni phosphides, Silicides and Fe-silicides and / or Fe-rich particles individually and / or as Addition compounds and/or mixed compounds are present and are encased by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn, with a maximum size of 3 ⁇ m and with a content of 2 to 35% by volume in the structure.
  • Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, are encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system and a maximum size of 3 ⁇ m are referred to below as hard particles of the third class.
  • the hard particles of the third class even have a size of less than 1 ⁇ m.
  • these third-class hard particles supplement the second-class hard particles in their function as wear carriers. They increase the strength and hardness of the metallic matrix and thus improve the resistance of the alloy to abrasive wear. On the other hand, the third-class hard particles increase the alloy's resistance to adhesive wear. Finally, these third-class hard particles bring about a significant increase in the high-temperature strength and the stress relaxation resistance of the alloy according to the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and components and connecting elements in electronics/electrical engineering.
  • the alloy according to the invention Due to the content of hard particles of the first class in the structure of the cast state and of hard particles of the second and third class in the structure of the further processed state, the alloy according to the invention has the Character of a precipitation-hardenable material.
  • the invention corresponds to a precipitation hardenable and spinodally demixable copper-nickel-tin alloy.
  • the sum of the element contents of the elements silicon, boron and phosphorus is advantageously at least 0.2% by weight.
  • the cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
  • the element cobalt can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of up to 2.0% by weight. Due to the similarity relationship between the elements nickel, iron and cobalt and due to the Si-boride-forming, boride-forming, silicide-forming and phosphide-forming properties of cobalt with regard to nickel and iron, the alloying element cobalt can be added in order to participate in the formation of the crystallization nuclei and the hard particles first , second and third class of the alloy. Thereby, the Ni content bound in the hard particles can be reduced.
  • Ni content that is effectively available in the metallic matrix for the spinodal segregation of the structure increases.
  • Advantagely 0.1 to 2.0% by weight of Co it is thus possible to increase the strength and hardness of the invention considerably.
  • the element zinc can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of 0.1 to 2.0% by weight. It has been found that the alloying element zinc, depending on the Ni content and Sn content of the alloy, increases the proportion of the first phase components and/or second phase components in the metallic matrix of the invention, thereby increasing strength and hardness. They are to be held responsible for this Interactions between the Ni content and the Zn content. As a result of these interactions between the Ni content and the Zn content, a decrease in the size of the first and second class hard particles was also determined, which were thus formed in a more finely distributed manner in the structure. Below 0.1% by weight of Zn, these effects on the structure and mechanical properties of the invention could not be observed.
  • the toughness properties of the alloy were lowered to a lower level.
  • the corrosion resistance of the copper-nickel-tin alloy according to the invention deteriorated.
  • a zinc content ranging from 0.1 to 1.5% by weight can be added to the invention.
  • the copper-nickel-tin alloy according to the invention can have small amounts of lead, which are above the impurity limit, up to a maximum of 0.25% by weight.
  • the copper-nickel-tin alloy is free of lead except for any unavoidable impurities, which means that current environmental standards are met.
  • lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are contemplated.
  • Si-containing and B-containing phases which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates, not only leads to a significant reduction in the content of pores and cracks in the structure of the alloy according to the invention.
  • These silicate-based phases also assume the role of an anti-wear and anti-corrosion coating on the components.
  • the alloying element tin contributes to the formation of a so-called tribolayer between the sliding partners. Especially under mixed friction conditions this mechanism is significant when the emergency running properties of a material are increasingly important.
  • the tribological layer leads to a reduction in the purely metallic contact surface between the sliding partners, which prevents the elements from welding or seizing.
  • the parts made of the alloy according to the invention form, similar to casting and hot forming, phases containing Si and B, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates . These compounds further reinforce the tribolayer, which forms primarily due to the alloying element tin, resulting in increased adhesive wear resistance of the sliding elements made from the alloy according to the invention.
  • the alloy according to the invention thus ensures a combination of the properties of wear resistance and corrosion resistance.
  • This 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.
  • 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 oscillating wear, so-called fretting.
  • the hard particles of the third class make a significant contribution to increasing the fatigue strength.
  • the hard particles of the third class, together with the hard particles of the second class, represent obstacles to the propagation of fatigue cracks, which can be introduced into the stressed component, particularly in the case of dynamic friction wear, the so-called fretting.
  • the hard particles of the second and third class supplement in particular the anti-wear and anti-corrosion effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and the phosphorus silicates with regard to increasing the resistance of the alloy according to the invention to dynamic friction wear, the so-called fretting.
  • High temperature strength and stress relaxation resistance are other important properties of an alloy used in higher temperature applications.
  • a high density of fine precipitates is considered to be advantageous in order to ensure sufficiently high heat resistance and stress relaxation resistance.
  • such precipitations are the hard particles of the third class and the continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system.
  • the alloy according to the invention Due to the uniform and fine-grained structure with largely no pores, no cracks and no segregation and the content of first-class 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 cast state.
  • This combination of properties means that sliding elements and guide elements can be produced from the cast format.
  • the cast state of the invention can also be used for the production of fitting housings and housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps.
  • the alloy of the present invention can be used for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding.
  • the further processed variant of the invention can be used for areas of application with a particularly strong, complex and/or dynamic component stress.
  • the invention is suitable for the metal objects in constructions for the rearing of organisms living in sea water (aquaculture). Furthermore, pipes, seals and connecting bolts which are required in the maritime and chemical industries can be produced from the invention.
  • the material is of great importance for the use of the alloy according to the invention for the production of percussion instruments.
  • cymbals of high quality have hitherto been made from mostly tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are brought into their final shape, usually by means of a bell or bowl. The basins are then annealed again before their final machining takes place.
  • the production of the different variants of the cymbal eg ride cymbal, hi-hat, crash cymbal, China cymbal, splash cymbal and effect cymbal
  • different structural proportions of the Phases of the metallic matrix and the different hard particles can be set in a very wide range. In this way it is already possible to influence the sound of the cymbals on the alloy side.
  • the invention can be used in particular for the production of composite plain bearings in order to be applied to a composite partner by means of a joining method. It is thus possible to produce a composite between disks, plates or strips of the invention and steel cylinders or steel strips, preferably made of heat-treated steel, by means of forging, soldering or welding with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.
  • composite bearing shells or composite bearing bushes can be produced by roll-bonding, inductive or conductive roll-bonding or by laser roll-bonding, also with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.
  • high-performance composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes can also be produced as a three-layer system, with a bearing back made of steel, the actual bearing made of the alloy according to the invention and the overlay made of tin or the Sn-rich coating.
  • This multi-layer system has a particularly beneficial effect on the adaptability and shrinkability of the plain bearing and improves the embedding ability of foreign particles and abrasive particles, whereby thermal or thermomechanical stress on the plain bearing does not result in damage due to the layer composite system being broken as a result of pore formation and cracking in the border area of the individual layers.
  • the great potential of copper-nickel-tin materials can also be used for the field of tin-plated components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics and electrical engineering by using the alloy according to the invention.
  • the structure of the invention reduces the damage mechanism of pore formation and cracking in the boundary area between the alloy according to the invention and the tinning, even at elevated temperatures, which counteracts an increase in the electrical contact resistance of the components or even detachment of the tinning.
  • the different hard particles serve as chip breakers.
  • the resulting short crumbly chips and/or tangled chips facilitate machinability, which is why the semi-finished products and components from the cast state and the further processed state of the alloy according to the invention have better machinability.
  • the exemplary embodiments A to C are characterized by a Ni content of 5.48 to 6.15% by weight, an Sn content of 4.94 to 5.76% by weight, an Fe content of 0.079 to 0. 22% by weight, an Si content of 0.26 to 0.31% by weight, a B content of 0.14 to 0.20% by weight, a P content of 0.048 to 0.072% by weight. -% and characterized by a remainder of copper.
  • the reference material R belongs to the conventional copper-nickel-tin alloys that correspond to the state of the art. It has a Ni content of 5.78% by weight, an Sn content of 5.75% by weight, a P content of about 0.032% by weight and the remainder is copper.
  • the structure of the continuously cast plates of the reference material R shows gas and shrinkage pores as well as Sn-rich segregations, especially at the grain boundaries.
  • the metallic matrix of the as-cast state of the exemplary embodiment A consists of a copper mixed crystal with, based on the overall structure, approx. 10 to 15% by volume of island-shaped embedded first phase components, which can be specified with the empirical formula Cu h Ni k Sn m and a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % from 2 to 6.
  • the compounds CuNi 14 Sn 23 and CuNi 9 Sn 20 with a ratio (h+k)/m of 3.4 and 4 could be determined.
  • the metallic matrix with, based on the overall structure about 5 to 10% by volume of second phase components are embedded in islands, which can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and a ratio (p + r) / s of Have element contents in atomic percent from 10 to 15.
  • the compounds CuNi 3 Sn 8 and CuNi 4 Sn 7 with a ratio (p+r)/s of 11.5 and 13.3 were detected.
  • the first and second phase components of the metallic matrix are predominantly crystallized in the area of the crystallization nuclei and encase them.
  • the analysis of the first-class hard particles in the cast state of exemplary embodiment A gave indications of the compound SiB 6 as a representative of the Si-containing and B-containing phases, of Ni 6 Si 2 B as a representative of the Ni-Si borides, of Ni 3 B as a Representatives of the Ni borides, FeB as a representative of the Fe borides, Ni 3 P as a representative of the Ni phosphides, Fe 2 P as a representative of the Fe phosphides, Ni 2 Si as a representative of the Ni silicides and Fe -rich particles that are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds in the structure.
  • these hard particles are encased by tin and/or the first phase components and/or second phase components of the metallic matrix.
  • a substructure formed in the primary casting grains In the cast structure of exemplary embodiments A to C of the invention, these sub-grains have a grain size of less than 10 ⁇ m.
  • the hardness HB of the as-cast state of the exemplary embodiments is significantly higher than the hardness of the continuously cast R (Table 2).
  • Table 2 also shows the hardness values that were determined on the continuously cast alloys A to C and R aged at 330, 400 and 470°C for a period of 3 hours.
  • the increase in hardness from 94 to 145 HB is greatest for the reference material R.
  • This hardening is particularly due to thermally activated segregation of the Sn-rich phase in the structure.
  • the phase components enriched with tin are separated in the structure of the exemplary embodiments A to C in a much finer way in the area of the hard particles. For this reason, the hardness of the alloy A aged at 400° C. increases only slightly from 169 to 173 HB.
  • the hardness HB of the exemplary embodiment C also does not increase so markedly from 156 to 178 as a result of the aging.
  • a project of the invention is to maintain the good cold workability of conventional copper-nickel-tin alloys despite the
  • production program 1 was carried out with the continuously cast plates of alloys A and R according to Table 3. This production program consisted of a cycle of cold forming and annealing, with the cold rolling steps being carried out with the maximum possible degree of cold forming.
  • the structure of the further processed exemplary embodiment A contains the hard particles of the second class (in 3 labeled 3).
  • the size of the third-class hard particles of less than 3 ⁇ m is characteristic of the further processed alloy according to the invention.
  • the further processed exemplary embodiment A of the invention after aging at 450° C., it is even less than 1 ⁇ m (in 4 marked 5).
  • This production program 2 pursued the goal of processing the continuously cast plates of materials A and R into strips by means of cold forming and annealing, with identical parameters for the degrees of cold forming and the annealing temperatures being used in each case (Table 5). Due to the high hardness of the cast condition of example A, this was again annealed before the first cold-rolling step at a temperature of 740° C. for a period of 2 hours and then cooled in water in an accelerated manner. As with production program 1, this resulted in the properties of the cast condition of A and R being matched with regard to strength and hardness.
  • the alloy A strip exhibited the highest strength and hardness values (Table 6).
  • the increase in strength R m (from 498 to 717 MPa) and R p0.2 (from 439 to 649 MPa) as well as the hardness HB (from 166 to 230 MPa) falls due to the spinodal segregation of the structure ) is most evident in alloy R.
  • the structure of the aged states of alloy R is very uneven with a grain size between 5 and 30 ⁇ m.
  • the structure of the aged states of the reference material R is characterized by discontinuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn (in 1 and 2 denoted by 1).
  • the structure of the further processed state of the reference material R also contains Ni phosphides (in 1 and 2 labeled 2).
  • the structure of the aged strips of embodiment A of the invention is very uniform with a grain size of 2 to 8 ⁇ m.
  • the structure of Example A lacks the discontinuous precipitates even after aging at 450°C for 3 hours followed by air cooling.
  • second-class hard particles can be detected in the structure. These phases are in 5 and 6 marked with 3.
  • the strengths R m and R p0.2 of the strips of alloy A assume the values of 690 and 618 MPa as a result of the spinodal segregation of the structure.
  • R m and R p0.2 are therefore lower than the characteristic values of the correspondingly aged state of alloy R. This is due to the fact that in exemplary embodiment A the Ni content, which is bound in the hard particles, is responsible for the strength-increasing spinodal segregation of the structure is missing. If the strength level of R is required, it is possible to add a higher proportion of the alloying element nickel to the alloy according to the invention.
  • the next step included testing the hot formability of the continuously cast alloys A and R.
  • the cast plates were hot rolled at a temperature of 720°C (Table 7).
  • the parameters of production program 2 were adopted for the further process steps of cold forming and intermediate annealing. ⁇ b> ⁇ u>Table 7: ⁇ /u> ⁇ /b> Production program 3 of strips from the continuously cast plates of example A and the reference material R No.
  • the cast plates of embodiment A of the invention could be hot-rolled without damage and, after several cold-rolling and annealing processes, could be manufactured to the final thickness of 3.0 mm.
  • the properties of the outsourced strips (Tab. 8) largely correspond to those of the strips that were produced without hot forming using production program 2 (Tab. 6).
  • microstructure of the strips from embodiment A of the alloy according to the invention which were produced with and without a hot forming step, is also comparable. That's how it goes 7 and 8 the uniform structure of the strips from example A emerges, which were produced with a hot forming stage and a final aging at 400° C./3 h/air cooling. In 7 and 8 the hard particles of the second class, labeled 3, can again be seen.
  • the hard particles of the third class even assume a size of less than 1 ⁇ m (with 5 in 8 designated).
  • the subsequent experimental stage included testing the hot forming behavior of embodiment A of the invention at the higher hot rolling temperature of 780°C.
  • the aim was also to reduce the number of cold rolling/annealing cycles in production program 3. This measure made it possible to investigate the cold formability of the hot-rolled strip condition of alloy A.
  • Alloy A continuously cast slabs showed excellent hot formability.
  • the hot-rolled plates could also be cold-rolled without any problems with an extremely high cold-forming degree ⁇ of 84%.
  • the last cold rolling step took place after recrystallization annealing at 690°C with the same degree of cold deformation ⁇ of 14%.
  • the grain size of the very uniform structure is 5 to 10 ⁇ m (Table 10).
  • the spinodal segregation of the structure of the alloy according to the invention leads to a pronounced increase in strength and hardness.
  • the tensile strength R m increases from 557 MPa in the cold-rolled condition to 692 MPa in the aged condition.
  • the HB hardness also increases from 177 to 210.
  • Table 11 shows the ones used in production program 5 Process steps listed. The production was carried out with a cycle of cold forming and annealing. Again, only the Alloy A cast slabs were annealed at 740°C prior to the first cold rolling.
  • this thermomechanical treatment increased the coverage of the grain boundaries of alloy R with Sn-rich segregations.
  • the crack-free and uniform structure of the belts of example A is characterized by the arrangement of the hard particles of the second and third class.
  • the hard particles of the third class also have a size of less than 1 ⁇ m after this production program 5.
  • Exemplary embodiment A has a high degree of aging ability, which is expressed by interaction of the mechanisms of precipitation hardening and spinodal segregation of the structure.
  • the characteristic values R m and R p0.2 increase from 518 to 633 and from 451 to 575 MPa as a result of aging at 400°C.
  • the degree of precipitation hardening and the degree of spinodal segregation of the structure of the invention can be adapted to the required material properties by varying the chemical composition, the degree of deformation for the cold forming(s) and by varying the aging conditions. In this way, it is possible to tailor the strength, hardness, ductility and electrical conductivity of the alloy according to the invention to the intended area of use.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit ausgezeichneter Gießbarkeit, 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 oder 2, ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 9 oder 10 sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 16 bis 18.The invention relates to a copper-nickel-tin alloy with excellent castability, hot workability and cold workability, 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 or 2, a method their production according to the preamble of claims 9 or 10 and their use according to the preamble of claims 16 to 18.

Aufgrund ihrer guten Festigkeitseigenschaften, ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit für die Wärme und den elektrischen Strom besitzen die binären Kupfer-Zinn-Legierungen eine große Bedeutung im Maschinenbau und Fahrzeugbau sowie in weiten Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik.Due to their good strength properties, their good corrosion resistance and conductivity for heat and electricity, the binary copper-tin alloys are of great importance in mechanical engineering and vehicle construction as well as in many areas of electronics and electrical engineering.

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 im Motorenbau und Fahrzeugbau sowie im allgemeinen Maschinenbau ergibt.This group of materials has a high resistance to abrasive wear. In addition, the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which is why they are extremely suitable for sliding elements in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering.

Die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen besitzen im Vergleich zu den binären Kupfer-Zinn-Werkstoffen verbesserte mechanische Eigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Die Steigerung der mechanischen Kennwerte wird dabei durch die Aushärtbarkeit der Cu-Ni-Sn-Legierungen erreicht.The copper-nickel-tin alloys have compared to the binary copper-tin materials improved mechanical properties such as hardness, tensile strength and yield point. The increase in the mechanical characteristics is achieved through the hardenability of the Cu-Ni-Sn alloys.

Neben der Bedeutung des Verhältnisses der Elemente Nickel und Zinn für die Temperatur, bei der es zu einer spontanen spinodalen Entmischung in den Cu-Ni-Sn-Legierungen kommt, sind die Ausscheidungsvorgänge wesentlich für die Einstellung der Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe.In addition to the importance of the ratio of the elements nickel and tin for the temperature at which spontaneous spinodal demixing occurs in the Cu-Ni-Sn alloys, the precipitation processes are essential for the adjustment of the properties of this group of materials.

Das Vorhandensein von diskontinuierlichen Ausscheidungen besonders an den Korngrenzen des Gefüges der Cu-Ni-Sn-Legierungen wird im Schrifttum mit einer Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften bei dynamischer Beanspruchung in Verbindung gebracht.The presence of discontinuous precipitations, particularly at the grain boundaries of the structure of Cu-Ni-Sn alloys, is associated in the literature with a deterioration in toughness properties under dynamic stress.

So wird in der Druckschrift DE 0 833 954 T1 vorgeschlagen, eine spinodale Cu-Ni-Sn-Stranggusslegierung mit 8 bis 16 Gew.-% Ni, 5 bis 8 Gew.-% Sn und optional mit bis zu 0,3 Gew.-% Mn, bis zu 0,3 Gew.-% B, bis zu 0,3 Gew.-% Zr, bis zu 0,3 Gew.-% Fe, bis zu 0,3 Gew.-% Nb und bis zu 0,3 Gew.-% Mg ohne eine Knetverarbeitung herzustellen. Nach der Durchführung einer Lösungsglühbehandlung des Gusszustandes und nach der spinodalen Auslagerung muss die Legierung jeweils mittels Wasserabschreckung schnell abgekühlt werden, um ein spinodal entmischtes Gefüge ohne diskontinuierliche Ausscheidungen zu erhalten.So it is in the pamphlet DE 0 833 954 T1 proposed a Cu-Ni-Sn spinodal continuous casting alloy with 8 to 16 wt% Ni, 5 to 8 wt% Sn and optionally with up to 0.3 wt% Mn, up to 0.3 wt. -% B, up to 0.3 wt% Zr, up to 0.3 wt% Fe, up to 0.3 wt% Nb and up to 0.3 wt% Mg without wrought processing to manufacture. After solution heat treatment of the as-cast condition and after spinodal aging, the alloy must be rapidly cooled by water quenching in order to obtain a spinodal segregated structure without discontinuous precipitations.

In der Druckschrift DE 23 50 389 C wird mit Bezug auf eine Cu-Ni-Sn-Legierung mit 2 bis 98 Gew.-% Ni und 2 bis 20 Gew.-% Sn dagegen ausgeführt, dass eine Kaltumformung mit zumindest einem Umformgrad von ε= 75 % durchgeführt werden muss, um das Entstehen von versprödenden diskontinuierlichen Ausscheidungen während einer Auslagerung verhindern zu können.In the pamphlet DE 23 50 389 C with reference to a Cu-Ni-Sn alloy with 2 to 98% by weight Ni and 2 to 20% by weight Sn, on the other hand, it is stated that cold forming with at least a degree of forming of ε=75% must be carried out in order to to be able to prevent the formation of brittle discontinuous precipitations during aging.

In der Druckschrift DE 691 05 805 T2 sind die Schwierigkeiten benannt, die bei der industriellen Großproduktion von Halbzeugen und Bauteilen aus den Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen auftreten. So schränkt das Auftreten von Sn-reichen Seigerungen besonders an den Korngrenzen des Gussgefüges die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Weiterverarbeitung stark ein. Die Sn-reichen Seigerungen, die auch mittels einer thermomechanischen Bearbeitung des Gusszustandes der Cu-Ni-Sn-Legierungen nicht so einfach beseitigt werden können, verhindern eine homogene Verteilung der Legierungselemente in der Matrix. Dies ist aber eine zwingende Voraussetzung für die Aushärtbarkeit dieser Werkstoffgruppe. Es wird daher vorgeschlagen, die Schmelze einer Kupferlegierung mit 4 bis 18 Gew.-% Ni und 3 bis 13 Gew.-% Sn fein zu zerstäuben und die Sprühpartikel auf einer Sammelfläche zu sammeln. Eine nachfolgende rasche Abkühlung soll der Bildung der Sn-reichen Korngrenzenseigerungen entgegenwirken.In the pamphlet DE 691 05 805 T2 are the difficulties that occur in the industrial large-scale production of semi-finished products and components made of copper-nickel-tin alloys. The occurrence of Sn-rich segregations, particularly at the grain boundaries of the cast structure, severely limits the possibility of further processing being economical. The Sn-rich segregations, which cannot be easily eliminated even by thermomechanical processing of the as-cast Cu-Ni-Sn alloys, prevent a homogeneous distribution of the alloying elements in the matrix. However, this is a mandatory prerequisite for the hardenability of this group of materials. It is therefore proposed to finely atomize the melt of a copper alloy containing 4 to 18% by weight of Ni and 3 to 13% by weight of Sn and to collect the sprayed particles on a collecting surface. Subsequent rapid cooling is intended to counteract the formation of the Sn-rich grain boundary segregations.

Aus der Druckschrift DE 41 26 079 C2 ist bekannt, dass eine Reihe von Kupferlegierungen mit der herkömmlichen Methode des Blockgießens mit anschließender Warmumformung und Kaltumformung mit Zwischenglühungen nicht oder nur unter schlechter Wirtschaftlichkeit herzustellen sind, weil die Warmumformung aufgrund von Korngrenzenausscheidungen, Seigerungen oder anderen Inhomogenitäten schwierig ist.From the pamphlet DE 41 26 079 C2 It is known that a number of copper alloys cannot be produced with the conventional method of ingot casting with subsequent hot forming and cold forming with intermediate annealing, or can only be produced with poor economics because hot forming is difficult due to grain boundary precipitation, segregation or other inhomogeneities.

Zu diesen Kupferlegierungen zählen auch die Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe. Zur Gewährleistung einer Kaltumformung des Gusszustandes derartiger Legierungen wird daher ein Dünnbandgießverfahren mit genauer Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze empfohlen.These copper alloys also include the copper-nickel-tin materials. Therefore, to ensure cold working of the as-cast condition of such alloys, a strip casting process with precise control of the solidification rate of the melt is recommended.

Infolge steigender Betriebstemperaturen und Betriebsdrücke 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 operating pressures in modern engines, machines, systems and aggregates, a wide variety of mechanisms of damage to the individual system elements occur. So there is more and more the need, especially in the material-side and constructive design of sliding elements and connectors, in addition to the Types of sliding wear also to consider the mechanism of oscillating wear damage.

Der Schwingreibverschleiß, in der Fachsprache auch Fretting genannt, ist ein Reibverschleiß, der zwischen oszillierenden Kontaktflächen auftritt. Zusätzlich zum Geometrieverschleiß 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.Dynamic friction wear, also known as fretting in technical terms, is friction wear that occurs between oscillating contact surfaces. In addition to the geometric wear or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion. The damage to the material can significantly reduce the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Fatigue cracks can emanate from the damaged component surface, leading to fatigue fractures/friction fractures. In the case of fretting corrosion, the fatigue strength of a component can fall well below the fatigue limit value 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 oscillating friction wear is significantly different from the types of sliding wear with unidirectional movement. In particular, the effects of corrosion are particularly pronounced in the case of dynamic friction wear.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 105 089 A1 geht die Darstellung der Schädigungsfolgen des Schwingreibverschleißes von Gleitlagern hervor. Zur Gewährleistung einer stabilen Lage der Gleitlager werden diese in die Lageraufnahme eingepresst. Durch den Einpressvorgang wird an dem Gleitlager eine hohe Spannung aufgebaut, die durch die höher werdenden Belastungen, durch die thermischen Dehnungen und durch die dynamischen Wellenbelastungen in modernen Motoren noch weiter erhöht wird. Infolge der Spannungsüberhöhung können Geometrieveränderungen des Gleitlagers auftreten, durch die sich der ursprüngliche Lagerüberstand verringert. Dadurch werden Mikrobewegungen des Gleitlagers relativ zur Lageraufnahme möglich. Durch diese zyklischen Relativbewegungen mit geringer Schwingungsbreite an den Kontaktflächen zwischen Lager und Lageraufnahme kommt es zum Schwingreibverschleiß/Reibkorrosion/Fretting des Gleitlagerrückens. Die Folge ist die Initiierung von Rissen und letztlich der Reibdauerbruch des Gleitlagers.From the pamphlet DE 10 2012 105 089 A1 shows the damage consequences of the dynamic friction wear of plain bearings. To ensure a stable position of the plain bearings, they are pressed into the bearing mount. During the pressing process, a high level of stress is built up on the plain bearing, which is further increased by the increasing loads, thermal expansion and dynamic shaft loads in modern engines. As a result of the excessive stress, changes in the geometry of the plain bearing can occur, which reduce the original bearing overhang. This allows micro-movements of the plain bearing relative to the bearing mount. Due to these cyclical relative movements with a low oscillation range at the contact surfaces between the bearing and the bearing mount, Dynamic friction wear/fretting corrosion/fretting of the back of the plain bearing. The consequence is the initiation of cracks and ultimately the frictional fatigue fracture of the plain bearing.

Die Resultate von Fretting-Versuchen mit verschiedenen Gleitlagerwerkstoffen verweisen darauf, dass besonders Cu-Ni-Sn-Legierungen mit einem Ni-Gehalt über 2 Gew.-%, wie er bei den spinodal aushärtenden Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen vorkommt, eine unzureichende Beständigkeit gegen den Fretting-Verschleiß besitzen.The results of fretting tests with various plain bearing materials indicate that Cu-Ni-Sn alloys in particular with a Ni content of more than 2% by weight, as is the case with spinodally hardening copper-nickel-tin alloys, have an insufficient Possess resistance to fretting wear.

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 placed in an environment in which they are subjected to mechanical vibrational movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which, as a result of mechanical loads, carry out movements relative to one another, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to oscillating wear and fretting corrosion of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. A failure of the connector due to fatigue fracture can be the result. Furthermore, due to the fretting corrosion, there is an increase in the contact resistance.

Entscheidend für eine hinreichende Beständigkeit gegen Schwingreibverschleiß/Reibkorrosion/Fretting 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 sufficient resistance to dynamic friction wear/fretting corrosion/fretting.

Um die Verschleißbeständigkeit der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zu erhöhen, ist es notwendig, diesen Werkstoffen geeignete Verschleißträger hinzuzufügen. Diese Verschleißträger in Form von Hartpartikeln sollen den Schutz vor den Folgen eines abrasiven und adhäsiven Verschleißes übernehmen. Als Hartpartikel kommen in den Cu-Ni-Sn-Legierungen verschiedene Ausscheidungsformen in Betracht.In order to increase the wear resistance of copper-nickel-tin alloys, it is necessary to add suitable wear supports to these materials. These wear carriers in the form of hard particles are intended to protect against the consequences of abrasive and adhesive wear. As hard particles different precipitation forms come into consideration in the Cu-Ni-Sn alloys.

In der Druckschrift US 6 379 478 B1 wird die Lehre einer Kupferlegierung für Steckverbinder mit 0,4 bis 3,0 Gew.-% Ni, 1 bis 11 Gew.-% Sn, 0,1 bis 1 Gew.-% Si und 0,01 bis 0,06 Gew.-% P offenbart. Die feinen Ausscheidungen der Nickelsilizide und Nickelphosphide sollen eine hohe Festigkeit und eine gute Spannungsrelaxationsbeständigkeit der Legierung gewährleisten.In the pamphlet U.S. 6,379,478 B1 teaches a copper alloy for connectors with 0.4 to 3.0% by weight Ni, 1 to 11% by weight Sn, 0.1 to 1% by weight Si and 0.01 to 0.06% by weight - %P revealed. The fine precipitations of the nickel silicides and nickel phosphides are said to ensure high strength and good stress relaxation resistance of the alloy.

Zur Herstellung einer Gleitschicht auf einem Grundkörper aus Stahl wird in der Druckschrift US 2 129 197 A eine Kupferlegierung benannt, die durch Auftragsschweißen auf den Grundkörper aufgebracht wird und 77 bis 92 Gew.-% Cu, 8 bis 18 Gew.-% Sn, 1 bis 5 Gew.-% Ni, 0,5 bis 3 Gew.-% Si und 0,25 bis 1 Gew.-% Fe enthält. Als Verschleißträger sollen hier die Silizide und Phosphide der Legierungselemente Nickel und Eisen dienen.For the production of a sliding layer on a base body made of steel is in the publication U.S. 2,129,197 A designates a copper alloy which is applied to the base body by build-up welding and contains 77 to 92% by weight Cu, 8 to 18% by weight Sn, 1 to 5% by weight Ni, 0.5 to 3% by weight Si and 0.25 to 1 wt% Fe. The silicides and phosphides of the alloying elements nickel and iron should serve as wear carriers.

Aus der Druckschrift US 3 392 017 A ist eine niedrig schmelzende Kupferlegierung mit bis zu 0,4 Gew.-% Si, 1 bis 10 Gew.-% Ni, 0,02 bis 0,5 Gew.- % B, 0,1 bis 1 Gew.-% P und 4 bis 25 Gew.-% Sn bekannt. Diese Legierung kann in Form von Gussstangen als Schweißzusatz auf geeignete metallische Substratoberflächen aufgebracht werden. Die Legierung weist gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Duktilität auf und ist maschinell bearbeitbar. Außer für Auftragsschweißen ist diese Cu-Sn-Ni-Si-P-B-Legierung für eine Abscheidung mittels Sprühverfahren einsetzbar. Der Zusatz von Phosphor, Silicium und Bor soll hierbei die selbstfließenden Eigenschaften der aufgeschmolzenen Legierung sowie die Benetzung der Substratoberfläche verbessern und einen Einsatz eines zusätzlichen Flussmittels überflüssig machen.From the pamphlet U.S. 3,392,017 A is a low-melting copper alloy containing up to 0.4% by weight Si, 1 to 10% by weight Ni, 0.02 to 0.5% by weight B, 0.1 to 1% by weight P and 4 to 25 wt% Sn is known. This alloy can be applied in the form of cast rods as a filler metal to suitable metallic substrate surfaces. The alloy has improved ductility over the prior art and is machinable. Besides hardfacing, this Cu-Sn-Ni-Si-PB alloy can be used for spray deposition. The addition of phosphorus, silicon and boron is intended to improve the self-fluxing properties of the molten alloy and the wetting of the substrate surface and make the use of an additional flux superfluous.

Die in dieser Druckschrift offenbarte Lehre schreibt einen besonders hohen P-Gehalt von 0,2 bis 0,6 Gew.-% bei zwingendem Si-Gehalt der Legierung von 0,05 bis 0,15 Gew.-% vor. Dies unterstreicht die vordergründige Forderung nach den selbstfließenden Eigenschaften des Werkstoffes. Mit diesem hohen P-Gehalt wird die Warmumformbarkeit der Legierung schlecht ausfallen und die spinodale Entmischbarkeit des Gefüges ungenügend sein.The teaching disclosed in this publication specifies a particularly high P content of 0.2 to 0.6% by weight with a mandatory Si content of the alloy of 0.05 up to 0.15% by weight. This underlines the superficial demand for the self-flowing properties of the material. With this high P content, the hot workability of the alloy will be poor and the spinodal segregability of the structure will be insufficient.

Laut der Druckschrift US 4 818 307 A besitzt die Größe der in einer kupferbasierten Legierung ausgeschiedenen Hartpartikel einen großen Einfluss auf deren Verschleißbeständigkeit. So steigern komplexe Silizid-Formationen/Borid-Formationen der Elemente Nickel und Eisen, die eine Größe von 5 bis 100 µm erreichen, die Verschleißbeständigkeit einer Kupferlegierung mit 5 bis 30 Gew.-% Ni, 1 bis 5 Gew.-% Si, 0,5 bis 3 Gew.-% B und 4 bis 30 Gew.-% Fe erheblich. Das Element Zinn ist in diesem Werkstoff nicht enthalten. Dieses Material wird mittels Auftragsschweißen auf ein geeignetes Substrat als Verschleißschutzschicht aufgebracht.According to the pamphlet U.S. 4,818,307 A For example, the size of the hard particles precipitated in a copper-based alloy has a major impact on its wear resistance. Complex silicide formations/boride formations of the elements nickel and iron, which reach a size of 5 to 100 µm, increase the wear resistance of a copper alloy with 5 to 30% by weight Ni, 1 to 5% by weight Si, 0 .5 to 3 wt% B and 4 to 30 wt% Fe. The element tin is not contained in this material. This material is applied to a suitable substrate by build-up welding as a wear protection layer.

Die Druckschrift US 5 004 581 A beschreibt die gleiche Kupferlegierung wie die vorgenannte US 4 818 307 A mit einem zusätzlichen Gehalt von Zinn im Gehaltsbereich von 5 bis 15 Gew.-% und/oder von Zink im Gehaltsbereich von 3 bis 30 Gew.-%. Durch den Zusatz von Sn und/oder Zink wird insbesondere die Beständigkeit des Werkstoffes gegenüber dem adhäsiven Verschleiß erhöht. Dieses Material wird ebenfalls mittels Auftragsschweißen auf ein geeignetes Substrat als Verschleißschutzschicht aufgebracht.The pamphlet U.S. 5,004,581A describes the same copper alloy as the previous one U.S. 4,818,307 A with an additional content of tin in the content range of 5 to 15% by weight and/or of zinc in the content range of 3 to 30% by weight. The addition of Sn and/or zinc in particular increases the material's resistance to adhesive wear. This material is also applied to a suitable substrate as a wear-resistant layer by means of build-up welding.

Allerdings wird die Kupferlegierung nach den Druckschriften US 4 818 307 A und US 5 004 581 A aufgrund der geforderten Größe der Silizid-Formationen/Borid-Formationen der Elemente Nickel und Eisen von 5 bis 100 µm nur eine sehr begrenzte Kaltumformbarkeit aufweisen.However, the copper alloy according to the publications U.S. 4,818,307 A and U.S. 5,004,581A due to the required size of the silicide formations/boride formations of the elements nickel and iron of 5 to 100 μm only have a very limited cold formability.

Die Offenbarung einer ausscheidungshärtbaren Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung geht aus der Druckschrift US 5 041 176 A hervor. Diese Kupfer-Basislegierung enthält 0,1 bis 10 Gew.-% Ni, 0,1 bis 10 Gew.-% Sn, 0,05 bis 5 Gew.-% Si, 0,01 bis 5 Gew.-% Fe und 0,0001 bis 1 Gew.-% Bor. Dieser Werkstoff weist einen Gehalt von dispers verteilten intermetallischen Phasen des Systems Ni-Si auf. Die Eigenschaften der Legierung werden auch an Ausführungsbeispielen erläutert, die über keinen Fe-Gehalt verfügen.The publication discloses a precipitation-hardenable copper-nickel-tin alloy U.S. 5,041,176 A out. This copper base alloy contains 0.1 to 10 wt% Ni, 0.1 to 10 wt% Sn, 0.05 to 5 wt% Si, 0.01 to 5 wt% Fe and 0.0001 to 1 % by weight of boron. This material contains dispersely distributed intermetallic phases of the Ni-Si system. The properties of the alloy are also explained using exemplary embodiments that have no Fe content.

In der Druckschrift KR 10 2002 0 008 710 A (Abstract) wird ausgeführt, dass spinodale Cu-Ni-Sn-Legierungen mit einem Sn-Gehalt größer als 6 Gew.-% nicht warmumformbar sind. Als Grund werden Sn-reiche Seigerungen an den Korngrenzen des Gussgefüges der Cu-Ni-Sn-Legierungen angegeben. Deshalb wird für die offenbarte Cu-Ni-Sn-Mehrstofflegierung für hochfeste Drähte und Bleche die Zusammensetzung 1 bis 8 Gew.-% Ni, 2 bis 6 Gew.-% Sn und 0,1 bis 5 Gew.-% von zwei oder mehreren Elementen der Gruppe Al, Si, Sr, Ti und B angegeben.In the pamphlet KR 10 2002 0 008 710 A (Abstract) it is stated that spinodal Cu-Ni-Sn alloys with a Sn content greater than 6% by weight are not hot workable. Sn-rich segregations at the grain boundaries of the cast structure of the Cu-Ni-Sn alloys are given as the reason. Therefore, for the disclosed Cu-Ni-Sn multicomponent alloy for high-strength wires and sheets, the composition becomes 1 to 8 wt% Ni, 2 to 6 wt% Sn, and 0.1 to 5 wt% of two or more Elements from the group Al, Si, Sr, Ti and B specified.

Aus der Patentschrift US 5 028 282 A geht die Offenbarung einer Kupferlegierung mit 6 bis 25 Gew.-% Ni, 4 bis 9 Gew.-% Sn und weiteren Zusätzen mit einem Gehalt von 0,04 bis 5 Gew.-% (einzeln oder zusammen) hervor. Diese weiteren Zusätze sind (in Gew.-%): 0,03 bis 4 % Zn, 0,01 bis 0,2 % Zr, 0,03 bis 1,5 % Mn, 0,03 bis 0,7 % Fe, 0,03 bis 0,5 % Mg, 0,01 bis 0,5 % P, 0,03 bis 0,7 % Ti, 0,001 bis 0,1 % B, 0,03 bis 0,7 % Cr, 0,01 bis 0,5 % Co. From the patent U.S. 5,028,282 A discloses a copper alloy with 6 to 25% by weight Ni, 4 to 9% by weight Sn and other additives with a content of 0.04 to 5% by weight (individually or together). These other additives are (in % by weight): 0.03 to 4% Zn, 0.01 to 0.2% Zr, 0.03 to 1.5% Mn, 0.03 to 0.7% Fe, 0.03 to 0.5% Mg, 0.01 to 0.5% P, 0.03 to 0.7% Ti, 0.001 to 0.1% B, 0.03 to 0.7% Cr, 0.01 to 0.5% Co.

Es wird ausgeführt, dass die Legierungselemente Zn, Mn, Mg, P und B zur Desoxidation der Schmelze der Legierung zugesetzt werden. Die Elemente Ti, Cr, Zr, Fe und Co besitzen eine kornfeinende und festigkeitssteigernde Funktion.It is stated that the alloying elements Zn, Mn, Mg, P and B are added to the melt of the alloy for deoxidation. The elements Ti, Cr, Zr, Fe and Co have a grain-refining and strength-enhancing function.

Durch das Legieren mit Metalloiden wie beispielsweise Bor, Silicium und Phosphor gelingt die verarbeitungstechnisch wichtige Erniedrigung der relativ hohen Basisschmelztemperatur. Deshalb erfolgt der Einsatz dieser Legierungszusätze insbesondere auf dem Gebiet der verschleißfesten Beschichtungswerkstoffe und Hochtemperaturwerkstoffe, zu denen zum Beispiel die Legierungen der Systeme Ni-Si-B und Ni-Cr-Si-B zählen. In diesen Werkstoffen 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.By alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus, the reduction in processing technology, which is important high base melting temperature. This is why these alloying additions are used in particular in the field of wear-resistant coating materials and high-temperature materials, which include, for example, the alloys of the Ni-Si-B and Ni-Cr-Si-B systems. In these materials, the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the strong reduction in the melting temperature of hard nickel-based alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-based alloys becomes possible.

In der Auslegeschrift DE 20 33 744 B sind wichtige Ausführungen zu einer weiteren Funktion des Legierungselementes Bor in Si-haltigen metallischen Schmelzen enthalten. Demnach bewirkt ein Zusatz von Bor einen Aufschluss der sich in der Schmelze bildenden Oxide und die Bildung von Borsilikaten, welche an die Oberfläche der Überzugsschichten aufsteigen und somit den weiteren Zutritt von Sauerstoff verhindern. Auf diese Weise kann eine glatte Oberfläche der Überzugsschicht realisiert werden.In the exposition DE 20 33 744 B contains important information on another function of the alloying element boron in Si-containing metallic melts. Accordingly, the addition of boron causes the oxides formed in the melt to break down and boron silicates to form, which rise to the surface of the coating layers and thus prevent further access of oxygen. In this way, a smooth surface of the coating layer can be realized.

In der Druckschrift DE 102 08 635 B4 sind die Vorgänge in einer Diffusionslötstelle beschrieben, in der intermetallische Phasen vorliegen. Mittels Diffusionslöten sollen Teile mit einem unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden werden. Bei thermomechanischer Belastung dieser Lötstelle oder beim Lötvorgang selbst treten große Spannungen an den Grenzflächen auf, die zu Rissen besonders in der Umgebung der intermetallischen Phasen führen können. Als Abhilfe wird ein Vermischen der Lotkomponenten mit Partikeln vorgeschlagen, die einen Ausgleich der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner bewirken. So können Partikel aus Borsilikaten oder Phosphorsilikaten aufgrund ihrer vorteilhaften thermischen Ausdehnungskoeffizienten den thermomechanischen Stress in der Lötverbindung minimieren. Außerdem wird ein Ausbreiten der bereits induzierten Risse durch diese Partikel behindert.In the pamphlet DE 102 08 635 B4 describes the processes in a diffusion solder joint in which intermetallic phases are present. Diffusion soldering is used to connect parts with different thermal expansion coefficients. When this soldering point is subjected to thermomechanical stress or during the soldering process itself, high stresses occur at the interfaces, which can lead to cracks, particularly in the vicinity of the intermetallic phases. As a remedy, mixing the solder components with particles is suggested, which compensates for the different expansion coefficients of the joining partners. For example, particles of boron silicates or phosphorus silicates can minimize the thermomechanical stress in the soldered joint due to their advantageous thermal expansion coefficients. In addition, these particles prevent the cracks that have already been induced from propagating.

In der Auslegeschrift DE 24 40 010 B wird der Einfluss des Elementes Bor insbesondere auf die elektrische Leitfähigkeit einer Silicium-Gusslegierung mit 0,1 bis 2,0 Gew.-% Bor und 4 bis 14 Gew.-% Eisen hervorgehoben. In dieser Sibasierten Legierung scheidet sich eine hochschmelzende Si-B-Phase aus, die als Siliziumborid bezeichnet wird.In the exposition DE 24 40 010 B the influence of the element boron is emphasized in particular on the electrical conductivity of a silicon cast alloy with 0.1 to 2.0% by weight of boron and 4 to 14% by weight of iron. In this Si-based alloy, a high-melting Si-B phase is precipitated, which is referred to as silicon boride.

Die zumeist in den vom Bor-Gehalt bestimmt Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und/oder SiBn vorliegenden Siliziumboride unterscheiden sich in ihren Eigenschaften wesentlich vom Silicium. Diese Siliziumboride besitzen einen metallischen Charakter, weshalb sie elektrisch leitend sind. Sie besitzen eine außerordentlich hohe Temperaturbeständigkeit 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 present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and/or SiB n 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 extraordinarily high temperature resistance and oxidation resistance. The modification of SiB 6 , which is preferred for sintered products, is used, for example, in the manufacture and processing of ceramics because of its very high hardness and its high abrasive wear resistance.

Die gebräuchlichen verschleißfesten Hartlegierungen zur Oberflächenbeschichtung bestehen aus einer verhältnismäßig duktilen Matrix der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel mit eingelagerten Siliziden und Boriden als Hartpartikel ( Knotek, O.; Lugscheider, E.; Reimann, H.: Ein Beitrag zur Beurteilung verschleißfester Nickel-Bor-Silicium-Hartlegierungen. Zeitschrift für Werkstofftechnik 8 (1977) 10, S. 331-335 ). Auf der Erhöhung des Verschleißwiderstandes durch diese Hartpartikel beruht die breite Anwendung der Hartlegierungen der Systeme Ni-Cr-Si, Ni-Cr-B, Ni-B-Si und Ni-Cr-B-Si. Die Ni-B-Si-Legierungen enthalten neben den Siliziden Ni3Si und Ni5Si2 auch die Boride Ni3B und die Ni-Si-Boride/Ni-Silicoboride Ni6Si2B. Berichtet wird auch über eine gewisse Trägheit der Silizidbildung bei Anwesenheit des Elementes Bor. Weitere Untersuchungen des Legierungssystems Ni-B-Si führten zum Nachweis der hochschmelzenden Ni-Si-Boride Ni6Si2B und Ni4,29Si2B1,43 ( Lugscheider, E.; Reimann, H.; Knotek, O.: Das Dreistoffsystem Nickel-Bor-Silicium. Monatshefte für Chemie 106 (1975) 5, S. 1155-1165 ). Diese hochschmelzenden Ni-Si-Boride existieren in einem relativ großen Homogenitätsbereich in Richtung Bor und Silicium.The usual wear-resistant hard alloys for surface coating consist of a relatively ductile matrix of the metals iron, cobalt and nickel with embedded silicides and borides as hard particles ( Knotek, O.; Lugscheider, E.; Reimann, H.: A contribution to the assessment of wear-resistant nickel-boron-silicon hard alloys. Journal of Materials Engineering 8 (1977) 10, pp. 331-335 ). The wide use of hard alloys of the Ni-Cr-Si, Ni-Cr-B, Ni-B-Si and Ni-Cr-B-Si systems is based on the increase in wear resistance caused by these hard particles. In addition to the silicides Ni 3 Si and Ni 5 Si 2 , the Ni-B-Si alloys also contain the borides Ni 3 B and the Ni-Si borides/Ni silicoborides Ni 6 Si 2 B. A certain inertia is also reported of silicide formation in the presence of the element boron. Further investigations of the alloy system Ni-B-Si led to the detection of the high-melting Ni-Si borides Ni 6 Si 2 B and Ni 4.29 Si 2 B 1.43 ( Lugscheider, E.; Reimann, H.; Knotek, O.: The ternary system nickel-boron-silicon. Monthly magazines for chemistry 106 (1975) 5, pp. 1155-1165 ). These refractory Ni-Si borides exist in a relatively large homogeneity range towards boron and silicon.

In häufigen Anwendungen wird das Element Zink den Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zugegeben, um den Metallpreis abzusenken. Funktionell bewirkt das Legierungselement Zink die stärkere Bildung von Sn-reichen oder Ni-Sn-reichen Phasen aus der Schmelze. Außerdem verstärkt Zink die Bildung der Ausscheidungen in den spinodalen Cu-Ni-Sn-Legierungen.In frequent applications, the element zinc is added to copper-nickel-tin alloys to lower the metal price. Functionally, the alloying element zinc causes the stronger formation of Sn-rich or Ni-Sn-rich phases from the melt. In addition, zinc increases the formation of precipitates in the Cu-Ni-Sn spinodal alloys.

Des Weiteren wird in zahlreichen Anwendungen auch ein gewisser Pb-Gehalt den Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften sowie zur besseren spanenden Bearbeitbarkeit zugesetzt.Furthermore, in numerous applications, a certain Pb content is added to the copper-nickel-tin alloys to improve the emergency running properties and for better machinability.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bereitzustellen, die über den gesamten Bereich des Nickel-Gehaltes und Zinn-Gehaltes von jeweils 2 bis 10 Gew.-% eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit aufweist. Für die Warmumformung sollte ein Vormaterial einsetzbar sein, das ohne die zwingende Notwendigkeit der Durchführung des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens mittels konventioneller Gießverfahren hergestellt wurde.The invention is based on the object of providing a high-strength copper-nickel-tin alloy which has excellent hot workability over the entire range of the nickel content and tin content of 2 to 10% by weight in each case. It should be possible to use a starting material for hot forming that has been produced by means of conventional casting processes without the absolute necessity of carrying out spray compacting or thin-strip casting.

Die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung sollte nach dem Gießen frei von Gasporen und Schwindungsporen sowie Spannungsrissen und durch ein Gefüge mit gleichmäßiger Verteilung der mit Zinn angereicherten Phasenbestandteile gekennzeichnet sein. Außerdem sollten im Gefüge der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bereits nach dem Gießen intermetallische Phasen enthalten sein. Dies ist bedeutsam, damit die Legierung bereits im Gusszustand eine hohe Festigkeit, eine hohe Härte sowie eine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweist. Weiterhin sollte sich bereits der Gusszustand durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.After casting, the copper-nickel-tin alloy should be free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the tin-enriched phase components. In addition, the structure of the copper-nickel-tin alloy should already contain intermetallic phases after casting. This is important so that the alloy already has high strength, high hardness and sufficient wear resistance in the cast state. Furthermore, the as-cast state should already be characterized by high corrosion resistance.

Der Gusszustand der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung sollte nicht erst mittels einer geeigneten Glühbehandlung homogenisiert werden müssen, um eine hinreichende Warmumformbarkeit herstellen zu können.The as-cast state of the copper-nickel-tin alloy should not first have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot workability.

Hinsichtlich der Verarbeitungseigenschaften der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht einerseits das Ziel, dass sich deren Kaltumformbarkeit trotz des Gehaltes an intermetallischen Phasen bezüglich der konventionellen Cu-Ni-Sn-Legierungen nicht wesentlich verschlechtert. Andererseits sollte für die Legierung die Forderung nach einem Mindest-Umformgrad der durchgeführten Kaltumformung wegfallen. Dies wird nach dem Stand der Technik als Voraussetzung angesehen, um eine spinodale Entmischung des Gefüges der Cu-Ni-Sn-Werkstoffe ohne die Bildung diskontinuierlicher Ausscheidungen gewährleisten zu können.With regard to the processing properties of the copper-nickel-tin alloy, there is the aim on the one hand that its cold workability should not deteriorate significantly in comparison to the conventional Cu-Ni-Sn alloys despite the content of intermetallic phases. On the other hand, the requirement for a minimum degree of deformation of the cold forming performed should be dropped for the alloy. According to the state of the art, this is regarded as a prerequisite in order to be able to ensure spinodal segregation of the structure of the Cu-Ni-Sn materials without the formation of discontinuous precipitations.

Eine weitere Forderung bezüglich der Weiterverarbeitung von Cu-Ni-Sn-Werkstoffen, die dem Stand der Technik entsprechen, bezieht sich auf die Abkühlgeschwindigkeit nach der Auslagerung der Werkstoffe. So wird es als notwendig angesehen, nach der spinodalen Auslagerung die Werkstoffe mittels Wasserabschreckung schnell abzukühlen, um ein spinodal entmischtes Gefüge ohne diskontinuierliche Ausscheidungen zu erhalten. Da sich aber infolge dieser Abkühlmethode nach dem Auslagern gefährliche Eigenspannungen ausbilden können, liegt der Erfindung die weitere Aufgabe zugrunde, bereits legierungsseitig die Bildung von diskontinuierlichen Ausscheidungen während des gesamten Fertigungsprozesses inklusive des Auslagerns zu verhindern.Another requirement regarding the further processing of Cu-Ni-Sn materials, which correspond to the state of the art, relates to the cooling rate after the materials have been aged. It is considered necessary, after spinodal aging, to quickly cool the materials by means of water quenching in order to obtain a spinodal segregated structure without discontinuous precipitations. However, since dangerous internal stresses can form as a result of this cooling method after aging, the invention is based on the further object of preventing the formation of discontinuous precipitations on the alloy side during the entire production process, including aging.

Mittels einer Weiterverarbeitung, die zumindest eine Glühung oder zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung umfasst, ist ein feinkörniges, hartpartikelhaltiges Gefüge mit hoher Festigkeit, hoher Warmfestigkeit, hoher Härte, hoher Spannungsrelaxationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, ausreichender elektrischer Leitfähigkeit sowie mit einem hohen Maß an Beständigkeit gegenüber den Mechanismen des Gleitverschleißes und des Schwingreibverschleißes einzustellen.By means of further processing, which includes at least one annealing or at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing, a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear.

Die Erfindung wird bezüglich einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung durch die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bezüglich eines Herstellungsverfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 9 oder 10 und bezüglich einer Verwendung durch die Merkmale der Ansprüche 16 bis 18 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is represented by the features of one of claims 1 or 2 in relation to a copper-nickel-tin alloy, by the features of claims 9 or 10 in relation to a production method and by the features of claims 16 to 18 in relation to a use. The further dependent claims relate to advantageous configurations and developments of the invention.

Die Erfindung schließt eine hochfeste Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung im Gusszustand ein, mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):

  • 2,0 bis 10,0 % Ni,
  • 2,0 bis 10,0 % Sn,
  • 0,01 bis 1,5 % Si,
  • 0,01 bis 1,0 % Fe,
  • 0,002 bis 0,45 % B,
  • 0,001 bis 0,15 % P,
  • wahlweise noch bis maximal 2,0 % Co,
  • wahlweise noch bis maximal 2,0 % Zn,
  • wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
  • Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
  • dadurch gekennzeichnet,
    • dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Silicium und Bor minimal 0,4 und maximal 8 beträgt;
    • dass nach dem Gießen in der Legierung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
      • a) Eine Si-haltige und P-haltige metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
      • a1) bis zu 30 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 aufweisen,
      • a2) bis zu 20 Volumen-% zweiten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CupNirSns ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen und
      • a3) einem Rest an Kupfer-Mischkristall;
      • b) Phasen, die, bezogen auf das Gesamtgefüge,
      • b1) mit 0,01 bis 10 Volumen-% als Si-haltige und B-haltige Phasen, welche als Siliziumboride und als Borsilikate und/oder als Borphosphorsilikate ausgebildet sind,
      • b2) mit 1 bis 15 Volumen-% als Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6,
      • b3) mit 1 bis 15 Volumen-% als Ni-Boride,
      • b4) mit 0,1 bis 5 Volumen-% als Fe-Boride,
      • b5) mit 1 bis 5 Volumen-% als Ni-Phosphide,
      • b6) mit 0,1 bis 5 Volumen-% als Fe-Phosphide,
      • b7) mit 1 bis 5 Volumen-% als Ni-Silizide,
      • b8) mit 0,1 bis 5 Volumen-% als Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelt sind;
    • dass beim Gießen die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride, Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide sowie die Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, Keime für eine gleichmäßige Kristallisation während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze darstellen, so dass die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile inselartig und/oder netzartig gleichmäßig im Gefüge verteilt sind;
    • 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 korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
The invention includes a high strength as-cast copper-nickel-tin alloy having excellent castability, hot workability and cold workability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear, and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance, consisting of (by weight %):
  • 2.0 to 10.0% Ni,
  • 2.0 to 10.0% Sn,
  • 0.01 to 1.5% Si,
  • 0.01 to 1.0% Fe,
  • 0.002 to 0.45% B,
  • 0.001 to 0.15% P,
  • optionally up to a maximum of 2.0% Co,
  • optionally up to a maximum of 2.0% Zn,
  • optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
  • balance copper and unavoidable impurities,
  • characterized,
    • that the Si/B ratio of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
    • that the following structural components are present in the alloy after casting:
      • a) A Si-containing and P-containing metallic matrix with, based on the overall structure
      • a1) up to 30% by volume of first phase components which, with the molecular formula Cu h Ni k Sn m , have a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % of 2 to 6,
      • a2) up to 20% by volume of second phase components which, with the empirical formula Cu p Ni r Sn s , have a ratio (p+r)/s of the element contents in atomic % of 10 to 15 and
      • a3) a remainder of copper mixed crystal;
      • b) phases which, in relation to the overall structure,
      • b1) with 0.01 to 10% by volume as Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and boron silicates and/or boron phosphorus silicates,
      • b2) with 1 to 15% by volume as Ni-Si borides with the molecular formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6,
      • b3) with 1 to 15% by volume as Ni borides,
      • b4) with 0.1 to 5% by volume as Fe borides,
      • b5) with 1 to 5% by volume as Ni phosphides,
      • b6) with 0.1 to 5% by volume as Fe phosphides,
      • b7) with 1 to 5% by volume as Ni silicides,
      • b8) the structure contains 0.1 to 5% by volume as Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds and of tin and/or the first phase components and/or or coated with the second phase constituents;
    • that during casting the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, represent nuclei for uniform crystallization during the solidification/cooling of the melt, so that the first phase components and/or the second phase components are island-like and/or are evenly distributed in the structure like a net;
    • that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates, assume the role of a wear-resistant and anti-corrosive coating on the semi-finished products and components of the alloy.

Vorteilhafterweise sind die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile mit zumindest 1 Volumen-% im Gussgefüge der Legierung enthalten.Advantageously, the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the cast structure of the alloy.

Durch die gleichmäßige Verteilung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile in Inselform und/oder in Netzform ist das Gefüge frei von Seigerungen. Unter derartigen Seigerungen werden Ansammlungen der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile im Gussgefüge verstanden, die als 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, Schwindungsporen, Spannungsrissen und diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.Due to the uniform distribution of the first phase components and/or the second phase components in the form of islands and/or in the form of a network, the structure is free of segregations. Segregations of this type are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the cast structure, which are formed as grain boundary segregations which, when the casting is subjected to thermal and/or mechanical stress, cause damage to the structure in the form of cracks that can lead to fracture. After casting, the structure is still free of gas pores, shrinkage pores, stress cracks and discontinuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system.

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 Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung nach Glühung oder nach Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst Glühung ein, mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):

  • 2,0 bis 10,0 % Ni,
  • 2,0 bis 10,0 % Sn,
  • 0,01 bis 1,5 % Si,
  • 0,01 bis 1,0 % Fe,
  • 0,002 bis 0,45 % B,
  • 0,001 bis 0,15 % P,
  • wahlweise noch bis maximal 2,0 % Co,
  • wahlweise noch bis maximal 2,0 % Zn,
  • wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
  • Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
  • dadurch gekennzeichnet,
    • dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Silicium und Bor minimal 0,4 und maximal 8 beträgt;
    • dass nach der Weiterverarbeitung der Legierung durch zumindest eine Glühung oder durch zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
      • A) Eine metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
      • A1) bis zu 15 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 aufweisen,
      • A2) bis zu 10 Volumen-% zweiten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CupNirSns ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen und
      • A3) einem Rest an Kupfer-Mischkristall;
      • B) Phasen, die, bezogen auf das Gesamtgefüge,
      • B1) mit 2 bis 35 Volumen-% als Si-haltige und B-haltige Phasen, welche als Siliziumboride und als Borsilikate und/oder als Borphosphorsilikate ausgebildet sind, Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide sowie als Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind,
      • B2) mit bis zu 80 Volumen-% als kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn im Gefüge enthalten sind,
      • B3) mit 2 bis 35 Volumen-% als Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide sowie als Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind und eine Größe von kleiner 3 µm aufweisen;
    • dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride, Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide sowie die Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, Keime für eine statische und dynamische Rekristallisation des Gefüges während der Weiterverarbeitung der Legierung darstellen, wodurch sich ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüges einstellt;
    • 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 korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
Furthermore, the invention includes a high-strength copper-nickel-tin alloy after annealing or after hot working and/or cold working plus annealing, with excellent castability, hot workability and cold workability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear, and improved Corrosion resistance and stress relaxation resistance consisting of (in % by weight):
  • 2.0 to 10.0% Ni,
  • 2.0 to 10.0% Sn,
  • 0.01 to 1.5% Si,
  • 0.01 to 1.0% Fe,
  • 0.002 to 0.45% B,
  • 0.001 to 0.15% P,
  • optionally up to a maximum of 2.0% Co,
  • optionally up to a maximum of 2.0% Zn,
  • optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
  • balance copper and unavoidable impurities,
  • characterized,
    • that the Si/B ratio of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
    • that after further processing of the alloy by at least one annealing or by at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing, the following structural components are present:
      • A) A metallic matrix with, based on the overall structure,
      • A1) up to 15% by volume of first phase components which, with the molecular formula Cu h Ni k Sn m , have a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % of 2 to 6,
      • A2) up to 10% by volume of second phase components which, with the empirical formula Cu p Ni r Sn s , have a ratio (p+r)/s of the element contents in atomic % of 10 to 15 and
      • A3) a remainder of copper mixed crystal;
      • B) phases which, in relation to the overall structure,
      • B1 ) with 2 to 35 vol to 6, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and as Fe silicides and/or Fe-rich particles are contained in the structure, individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds present and are covered by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn,
      • B2) up to 80% by volume as continuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system are contained in the microstructure,
      • B3) are contained in the structure with 2 to 35% by volume as Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and as Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds , are encased by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn and have a size of less than 3 µm;
    • that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and the Fe silicides and/ or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, represent nuclei for static and dynamic recrystallization of the structure during further processing of the alloy, resulting in a uniform and fine-grained structure;
    • that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates, assume the role of a wear-resistant and anti-corrosive coating on the semi-finished products and components of the alloy.

Vorteilhafterweise sind die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn mit zumindest 0,1 Volumen-% im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der Legierung enthalten.Advantageously, the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.

Auch nach der Weiterverarbeitung der Legierung ist das Gefüge frei von Seigerungen. Unter derartigen Seigerungen werden Ansammlungen der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile im Gefüge verstanden, die als Korngrenzenseigerungen ausgebildet sind, welche besonders bei dynamischer Beanspruchung der Bauteile eine Schädigung des Gefüges in Form von Rissen verursachen, die zum Bruch führen können.Even after further processing of the alloy, the structure is free of segregation. Such segregations are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the structure, which are formed as grain boundary segregations, which cause damage to the structure in the form of cracks, particularly when the components are subjected to dynamic stress, which can lead to fracture.

Das Gefüge der Legierung ist nach der Weiterverarbeitung frei von Gasporen, Schwindungsporen und Spannungsrissen. Hervorzuheben ist als wesentliches Merkmal der Erfindung, dass das Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ist. Bei dieser zweiten Variante liegt die Legierung im weiterverarbeiteten Zustand vor.After further processing, the structure of the alloy is free of gas pores, shrinkage pores and stress cracks. It should be emphasized as an essential feature of the invention that the microstructure in the further processed state is free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system. In this second variant, the alloy is in the processed state.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit Si-haltigen und B-haltigen Phasen sowie mit Phasen der Systeme Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Ni-Si und mit weiteren Fe-haltigen Phasen bereitgestellt wird. Diese Phasen verbessern signifikant dieThe invention is based on the consideration that a copper-nickel-tin alloy with Si-containing and B-containing phases and with phases of the systems Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Ni-Si and is provided with other Fe-containing phases. These phases significantly improve the

Verarbeitungseigenschaften Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit. Weiterhin verbessern diese Phasen die Gebrauchseigenschaften der Legierung durch eine Erhöhung der Festigkeit und der Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß. Diese Phasen verbessern zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit und die Spannungsrelaxationsbeständigkeit als weitere Gebrauchseigenschaften der Erfindung.Processing properties Castability, hot workability and cold workability. Furthermore, these phases improve the performance of the alloy by increasing strength and resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear. These phases additionally improve corrosion resistance and stress relaxation resistance as other performance properties of the invention.

Die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung kann mittels des Sandguss-Verfahrens, Maskenformguss-Verfahrens, Feinguss-Verfahrens, Vollformguss-Verfahrens, Druckguss-Verfahrens, Lost-Foam-Verfahrens und Kokillenguss-Verfahrens oder mit Hilfe des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Strangguss-Verfahrens hergestellt werden.The copper-nickel-tin alloy according to the invention can be produced by means of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process, lost foam process and permanent mold casting process or with the aid of continuous or semi-continuous casting method are produced.

Der Einsatz von prozesstechnisch aufwendigen und kostenintensiven Urformtechniken ist zwar möglich, stellt aber für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung keine zwingende Notwendigkeit dar. So kann beispielsweise auf die Verwendung des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens verzichtet werden. Die Gussformate der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung können insbesondere über den gesamten Bereich des Sn-Gehaltes und Ni-Gehaltes direkt ohne die zwingend notwendige Durchführung einer Homogenisierungsglühung beispielsweise durch Warmwalzen, Strangpressen oder Schmieden warmumgeformt werden. Weiterhin ist bemerkenswert, dass nach dem Kokillenguss oder Strangguss der Formate aus der erfindungsgemäßen Legierung auch keine aufwendigen Schmiedeprozesse oder Stauchprozesse bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden müssen, um Poren und Risse im Material zu verschweißen, also zu schließen. Somit werden die verarbeitungstechnischen Einschränkungen weitgehend aufgehoben, die bislang bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen aus Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen bestanden haben.Although the use of process-technically complex and cost-intensive primary shaping techniques is possible, it is not absolutely necessary for the production of the copper-nickel-tin alloy according to the invention. For example, the use of spray compacting or thin-strip casting can be dispensed with. The cast shapes of the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be hot-formed directly over the entire range of Sn content and Ni content, for example by hot rolling, extrusion or forging, without carrying out a homogenization anneal that is absolutely necessary. Furthermore, it is noteworthy that after chill casting or continuous casting of the shapes from the alloy according to the invention, no complex forging processes or upsetting processes have to be carried out at elevated temperature in order to weld, ie close, pores and cracks in the material. This largely eliminates the processing restrictions that previously existed in the production of semi-finished products and components made of copper-nickel-tin alloys passed.

Die metallische Grundmasse des Gefüges der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht im Gusszustand mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung, abhängig vom Gießprozess, aus zunehmenden Anteilen an mit Zinn angereicherten Phasen, die gleichmäßig im Kupfer-Mischkristall (a-Phase) verteilt sind.The metallic matrix of the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in the as-cast state with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process, from increasing proportions of tin-enriched phases, which are distributed evenly in the copper mixed crystal (a-phase). are.

Diese mit Zinn angereicherten Phasen der metallischen Grundmasse können in erste Phasenbestandteile und zweite Phasenbestandteile unterteilt werden. Die ersten Phasenbestandteile können mit der Summenformel CuhNikSnm angegeben werden und weisen ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 auf. Die zweiten Phasenbestandteile können mit der Summenformel CupNirSns angegeben werden und weisen ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 auf.These tin-enriched phases of the metallic matrix can be divided into first phase components and second phase components. The first phase components can be specified with the molecular formula Cu h Ni k Sn m and have a ratio (h+k)/m of the element content in atom % of 2 to 6. The second phase components can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and have a ratio (p+r)/s of the element content in atom % of 10 to 15.

Die erfindungsgemäße Legierung ist gekennzeichnet von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, die in zwei Gruppen unterteilt werden können.The alloy according to the invention is characterized by Si-containing and B-containing phases, which can be divided into two groups.

Die erste Gruppe betrifft die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind und in den Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und SiBn vorliegen können. Das "n" in der Verbindung SiBn kennzeichnet die große Löslichkeit des Elementes Bor im Siliciumgitter.The first group relates to the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n . The "n" in the compound SiB n indicates the high solubility of the element boron in the silicon lattice.

Die zweite Gruppe der Si-haltigen und B-haltigen Phasen betrifft die silikatischen Verbindungen der Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate.The second group of Si-containing and B-containing phases relates to the silicate compounds of borosilicates and/or borophosphorus silicates.

In der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung beträgt der Gefügeanteil der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride sowie als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, minimal 0,01 und maximal 10 Volumen-%.In the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the structural proportion of the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and borosilicates and/or borophosphorus silicates, is at least 0.01 and maximum 10% by volume.

Die gleichmäßig verteilte Anordnung der ersten Phasenbestandteile und/oder zweiten Phasenbestandteile im Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung resultiert besonders aus der Wirkung der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, und der Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, die sich zum großen Teil schon in der Schmelze ausscheiden. Nachfolgend kommt es während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze zur Ausscheidung der Ni-Boride und Fe-Boride bevorzugt an den bereits vorhandenen Siliziumboriden und Ni-Si-Boriden. Die Gesamtheit der boridischen Verbindungen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, dient während der weiteren Erstarrung/Abkühlung der Schmelze als primäre Keime.The evenly distributed arrangement of the first phase components and/or second phase components in the structure of the alloy according to the invention results in particular from the effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as silicon borides, and the Ni-Si borides with the empirical formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6, most of which are already precipitated in the melt. Subsequently, during the solidification/cooling of the melt, the Ni borides and Fe borides are precipitated, preferably on the silicon borides and Ni—Si borides already present. All of the boride compounds, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, serve as primary nuclei during the further solidification/cooling of the melt.

Im weiteren Verlauf der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze scheiden sich die Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder die Fe-reichen Teilchen bevorzugt an den bereits vorhandenen primären Keimen der Siliziumboride, Ni-Si-Boride sowie der Ni-Boride und Fe-Boride, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, als sekundäre Keime aus.In the further course of the solidification/cooling of the melt, the Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or the Fe-rich particles separate preferentially on the already existing primary nuclei of the silicon borides, Ni—Si borides and the Ni borides and Fe borides, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, as secondary nuclei.

Die Ni-Si-Boride sowie die Ni-Boride sind mit jeweils 1 bis 15 Volumen-% im Gefüge enthalten. Die Ni-Phosphide und Ni-Silizide sind mit einem Gefügeanteil von jeweils 1 bis 5 Volumen-% vorhanden. Die Fe-Boride, Fe-Phosphide sowie die Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen nehmen jeweils einen Anteil am Gefüge von 0,1 bis 5 Volumen-% an.The Ni-Si borides and the Ni borides are each contained in the structure at 1 to 15% by volume. The Ni phosphides and Ni silicides are each present with a structural proportion of 1 to 5% by volume. The Fe borides, Fe phosphides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles each account for 0.1 to 5% by volume of the microstructure.

Somit liegen im Gefüge die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6 sowie die Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vor. Diese Phasen werden nachfolgend als Kristallisationskeime bezeichnet.Thus, the structure contains the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides with the empirical formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6 as well as the Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds. These phases are referred to below as crystallization nuclei.

Schließlich kristallisieren das Element Zinn und/oder die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse vorzugsweise in den Bereichen der Kristallisationskeime, wodurch die Kristallisationskeime von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelt sind. Diese von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelten Kristallisationskeime werden nachfolgend als Hartpartikel erster Klasse bezeichnet.Finally, the element tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents of the metallic matrix preferentially crystallize in the regions of the nuclei, whereby the nuclei are coated by tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents. These crystallization nuclei, which are encased by tin and/or the first phase components and/or the second phase components, are referred to below as hard particles of the first class.

Die Hartpartikel erster Klasse besitzen im Gusszustand der erfindungsgemäßen Legierung eine Größe von kleiner 80 µm. Vorteilhafterweise beträgt die Größe der Hartpartikel erster Klasse weniger als 50 µm.In the cast state of the alloy according to the invention, the hard particles of the first class have a size of less than 80 μm. Advantageously, the size of the first-class hard particles is less than 50 μm.

Mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung geht die inselförmige Anordnung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile in eine netzförmige Anordnung im Gefüge über.As the Sn content of the alloy increases, the island-like arrangement of the first phase components and/or the second phase components changes into a network-like arrangement in the structure.

Im Gussgefüge der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung können die ersten Phasenbestandteile einen Anteil bis zu 30 Volumen-% annehmen. Die zweiten Phasenbestandteile nehmen einen Gefügeanteil von bis zu 20 Volumen- % an. Vorteilhafterweise sind die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile mit zumindest 1 Volumen-% im Gefüge des Gusszustandes der Legierung enthalten.In the cast structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the first phase components can have a proportion of up to 30% by volume. The second phase components take on a structural proportion of up to 20% by volume. Advantageously, the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the as-cast structure of the alloy.

Infolge des Zusatzes des Legierungselementes Bor kommt es während des Gießens der erfindungsgemäßen Legierung zu einer gehemmten und damit nur unvollständigen Bildung der Phosphide und Silizide. Aus diesem Grunde verbleibt ein Gehalt an Phosphor und Silicium gelöst in der metallischen Grundmasse des Gusszustandes.As a result of the addition of the alloying element boron, during the casting of the alloy according to the invention an inhibited and thus only incomplete formation of the phosphides and silicides. For this reason, some phosphorus and silicon remain dissolved in the as-cast metal matrix.

Die konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen besitzen ein verhältnismäßig großes Erstarrungsintervall. Dieses große Erstarrungsintervall vergrößert beim Gießen die Gefahr einer Gasaufnahme sowie bedingt eine ungleichmäßige, grobe, meist dendritische Kristallisation der Schmelze. Die Folge sind oftmals Gasporen und grobe Sn-reiche Seigerungen, an deren Phasengrenze häufig Schwindungsporen und Spannungsrisse auftreten. Bei dieser Werkstoffgruppe treten die Sn-reichen Seigerungen zudem bevorzugt an den Korngrenzen auf.The conventional copper-nickel-tin alloys have a relatively large solidification interval. This large solidification interval increases the risk of gas absorption during casting and causes uneven, coarse, mostly dendritic crystallization of the melt. The result is often gas pores and coarse Sn-rich segregations, at the phase boundary of which shrinkage pores and stress cracks often occur. In this group of materials, the Sn-rich segregations also occur preferentially at the grain boundaries.

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 konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen maßgeblich verändern.The combined content of boron, silicon and phosphorus activates various processes in the melt of the alloy according to the invention, which significantly change its solidification behavior compared to conventional copper-nickel-tin alloys.

Die Elemente Bor, Silicium und Phosphor übernehmen in der Schmelze der Erfindung eine desoxidierende Funktion. 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 Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung zusätzlich erweitern, wodurch sich eine Erhöhung der Porenanfälligkeit und Seigerungsanfälligkeit dieses Werkstofftyps ergeben würde. 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 0,15 Gew.-% vermindert.The elements boron, silicon and phosphorus perform a deoxidizing function in the melt of the invention. 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 makes it possible to suppress the disadvantageous effects of sufficient deoxidation of the melt by means of a phosphorus additive. A high P content would further extend the already very large solidification interval of the copper-nickel-tin alloy, which would increase the susceptibility to porosity and segregation of this type of material. The adverse effects of adding phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy of the present invention to the range of 0.001 to 0.15 wt%.

Die Erniedrigung der Basisschmelztemperatur besonders durch das Element Bor sowie die Kristallisationskeime führen zu einer Verkleinerung des Erstarrungsintervalls der erfindungsgemäßen Legierung. Dadurch weist der Gusszustand der Erfindung ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit einer feinen Verteilung der einzelnen Phasenbestandteile auf. Somit treten in der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere an den Korngrenzen keine mit Zinn angereicherten Seigerungen auf.The lowering of the base melting temperature, particularly due to the element boron and the crystallization nuclei, lead to a reduction in the solidification interval of the alloy according to the invention. As a result, the cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the individual phase components. Thus, segregations enriched with tin do not occur in the alloy according to the invention, particularly at the grain boundaries.

In der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung bewirken die Elemente Bor, Silicium und Phosphor eine Reduzierung der Metalloxide. Die Elemente werden dabei selbst oxidiert, steigen zumeist zur Oberfläche der Gussstücke auf und bilden dort als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate sowie als Phosphorsilikate 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 bring about a reduction in the metal oxides. The elements are oxidized themselves, usually rise to the surface of the castings and form a protective layer there as boron silicates and/or boron phosphorus silicates and phosphorus silicates, which protects the castings from gas absorption. Extraordinarily smooth surfaces of the castings made from 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.

Im Rahmen der Ausführungen zu den genannten Druckschriften wurden die Vorteile der Einbringung von Borsilikaten und Phosphorsilikaten für die Vermeidung von Spannungsrissen zwischen Phasen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten während des Diffusionslötens benannt.The advantages of introducing boron silicates and phosphorus silicates for avoiding stress cracks between phases with different thermal expansion coefficients during diffusion soldering were mentioned as part of the comments on the publications mentioned.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in der Übertragung der Wirkung von Borsilikaten, Borphosphorsilikaten und Phosphorsilikaten hinsichtlich des Angleichs der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner beim Diffusionslöten auf die Vorgänge beim Gießen, Warmumformen und thermischen Behandeln der Kupfer-Nickel-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-Nickel-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 is the transfer of the effect of boron silicates, boron phosphorus silicates 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-nickel-tin materials. Due to the wide solidification range of these alloys, it occurs between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich Structural areas to large mechanical stresses that can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage characteristics can also occur during hot forming and high-temperature annealing of copper-nickel-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich microstructure components.

Die kombinierte Zugabe von Bor, Silicium und Phosphor zu der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bewirkt einerseits während der Erstarrung der Schmelze mittels der Wirkung der Kristallisationskeime ein Gefüge mit einer gleichmäßigen inselförmigen und/oder netzförmigen Verteilung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse. Zusätzlich zu den Kristallisationskeimen gewährleisten die sich während der Erstarrung der Schmelze bildenden Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten den notwendigen Angleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile und des Kupfer-Mischkristalls der metallischen Grundmasse. 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 copper-nickel-tin alloy according to the invention causes, on the one hand, a structure with a uniform island-like and/or network-like distribution of the first phase components and/or the second phase components during the solidification of the melt by means of the effect of the crystallization nuclei Phase components of the metallic matrix. In addition to the crystallization nuclei, the Si-containing and B-containing phases formed during solidification of the melt, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, ensure, together with the phosphorus silicates, the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the first phase components and/or the second Phase components and the copper mixed crystal of the metallic matrix. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.

Der erfindungsgemäße Legierungsgehalt der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bewirkt weiterhin eine signifikante Änderung der Kornstruktur im gegossenen Zustand. So konnte festgestellt werden, dass sich im primären Gussgefüge eine Substruktur mit einer Korngröße der Subkörner von weniger als 30 µm ausbildet.The alloy content of the copper-nickel-tin alloy according to the invention also causes a significant change in the grain structure in the cast state. It could be determined that a substructure with a grain size of the subgrains of less than 30 µm is formed in the primary cast structure.

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 working and/or cold working in addition to at least one annealing.

Eine Möglichkeit der Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht darin, die Gussstücke mittels zumindest einer Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung in die Endform mit den anforderungsgerechten Eigenschaften zu überführen.One possibility for further processing of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in converting the castings into the final shape with the required properties by means of at least one cold forming together with at least one annealing.

Bedingt durch das gleichmäßige Gussgefüge und der darin ausgeschiedenen Hartpartikel erster Klasse besitzt die erfindungsgemäße Legierung bereits im Gusszustand eine hohe Festigkeit. Die Gussstücke weisen dadurch eine niedrigere Kaltumformbarkeit auf, die eine wirtschaftliche Weiterverarbeitung erschwert. Aus diesem Grunde hat sich die Durchführung einer Homogenisierungsglühung der Gussformlinge vor einer Kaltumformung als vorteilhaft erwiesen.Due to the uniform cast structure and the first-class hard particles precipitated therein, the alloy according to the invention already has high strength in the cast state. As a result, the castings have lower cold formability, which makes further processing more difficult. For this reason, it has proven to be advantageous to carry out a homogenization annealing of the castings before cold forming.

Zur Gewährleistung der Auslagerungsfähigkeit der Erfindung hat sich eine beschleunigte Abkühlung nach den Homogenisierungsglühprozessen als vorteilhaft erwiesen. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der Trägheit der Ausscheidungsmechanismen und Entmischungsmechanismen neben einer Wasserabschreckung auch Abkühlmethoden mit einer niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit eingesetzt werden können. So hat sich die Verwendung einer beschleunigten Luftabkühlung als ebenso praktikabel erwiesen, um in einem genügenden Maße die härtesteigernde und festigkeitserhöhende Wirkung der Ausscheidungsprozesse und Entmischungsprozesse im Gefüge während der Homogenisierungsglühung der Erfindung abzusenken.To ensure the ability of the invention to age, accelerated cooling after the homogenization annealing processes has proven to be advantageous. It has been shown that due to the inertia of the precipitation mechanisms and segregation mechanisms, cooling methods with a lower cooling rate can be used in addition to water quenching. The use of accelerated air cooling has thus proven to be just as practicable in order to sufficiently reduce the effect of the precipitation processes and demixing processes in the structure, which increase hardness and increase strength, during the homogenization annealing of the invention.

Die herausragende Wirkung der Kristallisationskeime für die Rekristallisation des Gefüges der Erfindung zeigt sich an dem Gefüge, das nach der Kaltumformung mittels einer Glühung in dem Temperaturbereich von 170 bis 880°C und einer Glühdauer zwischen 10 Minuten und 6 Stunden eingestellt werden kann. Die außerordentlich feine Struktur der rekristallisierten Legierung ermöglicht weitere Kaltumformschritte mit einem Umformgrad ε von zumeist über 70 %. Auf diese Weise können höchstfeste Zustände der Legierung hergestellt werden.The outstanding effect of the crystallization nuclei for the recrystallization of the structure of the invention can be seen in the structure, which can be adjusted after cold forming by means of annealing in the temperature range from 170 to 880° C. and an annealing time of between 10 minutes and 6 hours. The extraordinarily fine structure of the recrystallized alloy enables further cold forming steps with a degree of forming ε of mostly over 70%. To this In this way, high-strength states of the alloy can be produced.

Durch diese möglich gewordenen hohen Kaltumformgrade bei der Weiterverarbeitung der Erfindung können besonders hohe Werte für die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2 sowie die Härte eingestellt werden. Insbesondere die Höhe des Parameters Rp0,2 ist für die Gleitelemente und Führungselemente bedeutsam. Des Weiteren stellt ein hoher Wert von Rp0,2 eine Voraussetzung für die notwendigen Federeigenschaften von Steckverbindern in der Elektronik und Elektrotechnik dar.Due to these high degrees of cold forming that have become possible during the further processing of the invention, 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 significant for the sliding elements and guide elements. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.

In den Ausführungen zahlreicher Druckschriften, die den Stand der Technik bezüglich der Verarbeitung und den Eigenschaften der Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe beschreiben, wird auf die Notwendigkeit der Einhaltung eines Mindest-Kaltumformgrades von zum Beispiel 75 % verwiesen, um die Ausscheidung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn im Gefüge zu verhindern.In the statements of numerous publications, which describe the state of the art with regard to the processing and the properties of the copper-nickel-tin materials, reference is made to the necessity of maintaining a minimum degree of cold deformation of, for example, 75% in order to avoid discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system in the structure.

Dagegen bleibt das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung unabhängig von dem Grad der Kaltumformung frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn. So konnte für besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung festgestellt werden, dass sogar bei äußerst kleinen Kaltumformgraden von unter 20 % das Gefüge der Erfindung frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn bleibt.In contrast, the structure of the alloy according to the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, regardless of the degree of cold working. It was thus possible to establish for particularly advantageous embodiments of the invention that the microstructure of the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system even with extremely small degrees of cold deformation of less than 20%.

Die konventionellen, spinodal entmischbaren Cu-Ni-Sn-Werkstoffe gelten nach dem Stand der Technik als sehr schwer bis überhaupt nicht warmumformbar.According to the state of the art, the conventional, spinodally separable Cu-Ni-Sn materials are considered to be very difficult or impossible to hot-work.

Die Wirkung der Kristallisationskeime konnte ebenfalls während des Prozesses der Warmumformung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung beobachtet werden. Vornehmlich die Kristallisationskeime sind dafür verantwortlich zu machen, dass die dynamische Rekristallisation bei der Warmumformung der erfindungsgemäßen Legierung in dem Temperaturbereich von 600 bis 880°C begünstigt stattfindet. Dadurch erfolgt eine weitere Erhöhung der Gleichmäßigkeit und der Feinkörnigkeit des Gefüges.The effect of the crystallization nuclei could also be observed during the process of hot working the copper-nickel-tin alloy according to the invention. Mainly the crystallization nuclei are for it responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during the hot forming of the alloy according to the invention in the temperature range from 600 to 880°C. This results in a further increase in the uniformity and fine-grained structure.

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.

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 Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, und von Phosphorsilikaten hin, die im Werkstoff während der Warmumformung stattfindet. Die Silikate bedingen zusammen mit den Kristallisationskeimen auch während der Warmumformung einen Angleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Phasen der metallischen Grundmasse der Erfindung. So waren die Oberfläche der warmumgeformten Teile und das Gefüge, wie nach dem Gießen, auch nach der Warmumformung frei von Rissen und Poren.As after the casting, an extraordinarily smooth surface of the parts could also be determined after the hot forming of the castings. This observation points to the formation of Si-containing and B-containing phases, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and of phosphorus silicates, which takes place in the material during hot forming. The silicates, together with the crystallization nuclei, also cause the different thermal expansion coefficients of the phases of the metallic matrix of the invention to be equalized during hot working. The surface of the hot-formed parts and the structure were free of cracks and pores, just as they were after casting.

Vorteilhafterweise kann zumindest eine Glühbehandlung des Gusszustandes und/oder des warmumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 170 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 cast state and/or the hot-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 170 to 880°C for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.

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 condition or the hot-worked condition or the annealed cast condition or the annealed hot-worked condition State, which includes the implementation of at least one cold forming.

Bevorzugt kann zumindest eine Glühbehandlung des kaltumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 170 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.At least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can preferably be carried out in the temperature range from 170 to 880° C. for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.

Vorteilhafterweise kann eine Entspannungsglühung/Auslagerungsglühung in dem Temperaturbereich von 170 bis 550°C mit der Dauer von 0,5 bis 8 Stunden durchgeführt werden.Stress relief annealing/ageing annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 170 to 550° C. with a duration of 0.5 to 8 hours.

Nach einer Weiterverarbeitung der Legierung durch zumindest eine Glühung oder durch zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung bilden sich Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn vorzugsweise in den Bereichen der Kristallisationskeime, wodurch die Kristallisationskeime von diesen Ausscheidungen ummantelt sind.After further processing of the alloy by at least one annealing or by at least one hot forming and/or cold forming together with at least one annealing, precipitates of the (Cu, Ni)-Sn system form preferably in the areas of the crystallization nuclei, as a result of which the crystallization nuclei are encased by these precipitations.

Diese von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelten Kristallisationskeime werden nachfolgend als Hartpartikel zweiter Klasse bezeichnet.These crystallization nuclei, encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, are referred to below as second-class hard particles.

Infolge der Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung nimmt die Größe der Hartpartikel zweiter Klasse im Vergleich zur Größe der Hartpartikel erster Klasse ab. Insbesondere mit zunehmendem Grad der Kaltumformung kommt es zur fortschreitenden Zerkleinerung der Hartpartikel zweiter Klasse, da diese als härteste Bestandteile der Legierung die Formänderung der sie umgebenden metallischen Grundmasse nicht mittragen können. Die resultierenden Hartpartikel zweiter Klasse und/oder die resultierenden Segmente der Hartpartikel zweiter Klasse weisen in Abhängigkeit vom Kaltumformgrad eine Größe von kleiner 40 µm bis sogar von kleiner 5 µm auf.As a result of the further processing of the alloy according to the invention, the size of the second-class hard particles decreases in comparison to the size of the first-class hard particles. In particular, with an increasing degree of cold forming, there is progressive comminution of the hard particles of the second class, since these, as the hardest components of the alloy, cannot support the change in shape of the surrounding metallic matrix. The resulting second-class hard particles and/or the resulting segments of the second-class hard particles have a size of less than 40 μm to even less than 5 μm, depending on the degree of cold forming.

Der Ni-Gehalt und der Sn-Gehalt der Erfindung bewegt sich jeweils in den Grenzen zwischen 2,0 und 10,0 Gew.-%. Ein Ni-Gehalt und/oder ein Sn-Gehalt von unter 2,0 Gew.-% hätten zu geringe Festigkeitswerte und Härtewerte zur Folge. Außerdem wären die Laufeigenschaften der Legierung bei einer Gleitbeanspruchung unzureichend. Der Widerstand der Legierung gegen den abrasiven und adhäsiven Verschleiß würde nicht den Anforderungen genügen. Bei einem Ni-Gehalt und/oder einem Sn-Gehalt von über 10,0 Gew.-% würden sich die Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung rapide verschlechtern, wodurch die dynamische Belastbarkeit der Bauteile aus dem Werkstoff herabgesetzt wird.The Ni content and the Sn content of the invention range between 2.0 and 10.0% by weight. A Ni content and/or a Sn content of less than 2.0% by weight would result in insufficient strength and hardness values. In addition, the running properties of the alloy would be insufficient under a sliding load. The alloy's resistance to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements. With a Ni content and/or a Sn content of more than 10.0% by weight, the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load capacity of the components made from the material is reduced.

Hinsichtlich der Gewährleistung einer optimalen dynamischen Belastbarkeit der Bauteile aus der erfindungsgemäßen Legierung erweist sich der Gehalt von Nickel und Zinn in dem Bereich von jeweils 3,0 bis 9,0 Gew.-% als vorteilhaft. Diesbezüglich wird für die Erfindung jeweils der Bereich von 4,0 bis 8,0 Gew.-% für den Gehalt der Elemente Nickel und Zinn besonders bevorzugt.The content of nickel and tin in the range of 3.0 to 9.0 wt. In this respect, the range of 4.0 to 8.0% by weight each for the content of the elements nickel and tin is particularly preferred for the invention.

Aus dem Stand der Technik ist zu den Ni-haltigen und Sn-haltigen Kupferwerkstoffen bekannt, dass der Grad der spinodalen Entmischung des Gefüges mit steigendem Verhältnis Ni/Sn der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Nickel und Zinn zunimmt. Dies ist für einen Ni-Gehalt und einen Sn-Gehalt ab ca. 2 Gew.-% gültig. Mit kleiner werdendem Ni/Sn-Verhältnis bekommt der Mechanismus der Ausscheidungsbildung des Systems (Cu, Ni)-Sn ein höheres Gewicht, was zu einer Verringerung des spinodal entmischten Gefügeanteils führt. Eine Folge ist insbesondere eine mit abnehmendem Ni/Sn-Verhältnis stärker ausgeprägte Bildung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.It is known from the prior art with regard to Ni-containing and Sn-containing copper materials that the degree of spinodal segregation of the structure increases with an increasing Ni/Sn ratio of the element contents in % by weight of the elements nickel and tin. This is valid for a Ni content and a Sn content from about 2% by weight. As the Ni/Sn ratio decreases, the mechanism of precipitation formation in the (Cu,Ni)-Sn system becomes more important, which leads to a reduction in the proportion of the spinodally segregated microstructure. One consequence is, in particular, a more pronounced formation of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system as the Ni/Sn ratio decreases.

Zu den wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung zählt die entscheidende Zurückdrängung des Einflusses des Ni/Sn-Verhältnisses auf die Bildung der diskontinuierlichen Ausscheidungen im Gefüge. So ist festgestellt worden, dass es im Gefüge der Erfindung weitgehend unabhängig vom Ni/Sn-Verhältnis sowie unabhängig von den Auslagerungsbedingungen nicht zur Ausscheidung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn kommt.One of the essential features of the copper-nickel-tin alloy according to the invention is the decisive suppression of the influence of the Ni/Sn ratio on the formation of discontinuous precipitations in the structure. Thus, it has been found that in the microstructure of the invention, largely independent of the Ni/Sn ratio and independent of the aging conditions, there is no precipitation of discontinuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system.

Während einer Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung bilden sich dagegen mit bis zu 80 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn. Vorteilhafterweise sind die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn mit zumindest 0,1 Volumen-% im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der Legierung enthalten.In contrast, during further processing of the alloy according to the invention, up to 80% by volume of continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system are formed. Advantageously, the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.

Das Element Eisen ist der erfindungsgemäßen Legierung mit 0,01 bis 1,0 Gew.-% zulegiert. Eisen trägt zur Erhöhung des Anteils der Kristallisationskeime bei und unterstützt somit die feinkörnige Ausbildung des Gefüges beim Gießprozess. Die Fe-haltigen Hartpartikel im Gefüge bewirken eine Erhöhung der Festigkeit, der Härte und der Verschleißbeständigkeit der Legierung. Liegt der Fe-Gehalt unterhalb von 0,01 Gew.-%, so sind diese Auswirkungen auf das Gefüge und die Eigenschaften der Legierung nur in einem unzureichenden Ausmaß zu beobachten. Übersteigt der Fe-Gehalt die 1,0 Gew.-%, so enthält das Gefüge zunehmend clusterhafte Ansammlungen von Fe-reichen Teilchen. Der Fe-Anteil dieser Cluster würde nur in einem geringeren Maße für die Bildung der Kristallisationskeime sowie Hartpartikel zur Verfügung stehen. Außerdem würden sich die Zähigkeitseigenschaften der Erfindung verschlechtern. Vorteilhaft ist ein Fe-Gehalt von 0,02 bis 0,6 Gew.-%. Bevorzugt wird ein Eisengehalt in dem Bereich von 0,06 bis 0,4 Gew.-%.The element iron is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 1.0% by weight. Iron contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the fine-grain formation of the structure during the casting process. The Fe-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Fe content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are only observed to an insufficient extent. If the Fe content exceeds 1.0% by weight, the structure increasingly contains cluster-like accumulations of Fe-rich particles. The Fe content of these clusters would only be available to a lesser extent for the formation of crystallization nuclei and hard particles. In addition, the toughness properties of the invention would deteriorate. An Fe content of 0.02 to 0.6% by weight is advantageous. An iron content in the range from 0.06 to 0.4% by weight is preferred.

Aufgrund der Ähnlichkeitsbeziehung zwischen den Elementen Nickel und Eisen können sich in dem Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung zusätzlich zu den Ni-Si-Boriden auch Fe-Si-Boride und/oder Ni-Fe-Si-Boride bilden. Die Ni-Fe-Si-Boride können mit der Summenformel (Ni, Fe)xSi2B mit x = 4 bis 6 angegeben werden.Due to the similarity relationship between the elements nickel and iron, Fe-Si borides and/or Ni-Fe-Si borides can also form in the structure of the alloy according to the invention in addition to the Ni-Si borides. The Ni-Fe-Si borides can be given with the empirical formula (Ni, Fe) x Si 2 B with x = 4 to 6.

Neben den Fe-Boriden und Fe-Phosphiden sind im Gefüge der Erfindung noch weitere Fe-haltige Phasen enthalten.In addition to the Fe borides and Fe phosphides, the structure of the invention also contains other Fe-containing phases.

Infolge der festgestellten Trägheit der Ausscheidung der Fe-Silizide und der Abhängigkeit der Ausscheidung der Fe-Silizide von den Prozessbedingungen bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung liegen diese weiteren Fe-haltigen Phasen als Fe-Silizide und/oder als Fe-reiche Teilchen im Gefüge vor.As a result of the determined inertia in the precipitation of the Fe silicides and the dependence of the precipitation of the Fe silicides on the process conditions during the production and further processing of the alloy according to the invention, these other Fe-containing phases are present as Fe silicides and/or as Fe-rich particles structure.

Die Wirkung der Kristallisationskeime während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze, die Wirkung der Kristallisationskeime als Rekristallisationskeime sowie die Wirkung der silikatisch basierten Phasen zum Zwecke des Verschleißschutzes und Korrosionsschutzes kann in der erfindungsgemäßen Legierung erst ein technisch bedeutsames Maß erreichen, wenn der Silicium-Gehalt mindestens 0,01 Gew.-% und der Bor-Gehalt mindestens 0,002 Gew.-% beträgt. Übersteigt dagegen der Si-Gehalt die 1,5 Gew.-% und/oder der B-Gehalt die 0,45 Gew.-%, so führt dies zu einer Verschlechterung des Gießverhaltens. Der zu hohe Gehalt an Kristallisationskeimen würde die Schmelze maßgeblich dickflüssiger machen. Außerdem wären verminderte Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung die Folge.The effect of the crystallization nuclei during the solidification/cooling of the melt, the effect of the crystallization nuclei as recrystallization nuclei and the effect of the silicate-based phases for the purpose of wear protection and corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0 .01% by weight and the boron content is at least 0.002% by weight. On the other hand, if the Si content exceeds 1.5% by weight and/or the B content exceeds 0.45% by weight, the casting performance deteriorates. The excessively high content of crystallization nuclei would make the melt significantly more viscous. In addition, reduced toughness properties of the alloy according to the invention would result.

Als vorteilhaft wird der Bereich für den Si-Gehalt in den Grenzen von 0,05 bis 0,9 Gew.-% bewertet. Als besonders vorteilhaft hat sich der Gehalt für Silicium von 0,1 bis 0,6 Gew.-% gezeigt.The range for the Si content within the limits of 0.05 to 0.9% by weight is rated as advantageous. A silicon content of 0.1 to 0.6% by weight has proven to be particularly advantageous.

Für das Element Bor wird der Gehalt von 0,01 bis 0,4 Gew.-% als vorteilhaft angesehen. Als besonders vorteilhaft hat sich der Gehalt für Bor von 0,02 bis 0,3 Gew.-% erwiesen.A content of 0.01 to 0.4% by weight is considered advantageous for the element boron. A boron content of 0.02 to 0.3 has proven particularly advantageous % by weight.

Für die Sicherstellung eines genügenden Gehaltes an Ni-Si-Boriden sowie an Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, hat sich eine Untergrenze des Elementverhältnisses der Elemente Silicium und Bor als wichtig erwiesen. Aus diesem Grunde liegt das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% der erfindungsgemäßen Legierung bei 0,4. Vorteilhaft ist für die erfindungsgemäße Legierung das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 0,8. Bevorzugt wird das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 1.A lower limit for the element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important in order to ensure a sufficient content of Ni-Si borides and of phases containing Si and B, which are in the form of borosilicates and/or borophosphorus silicates. For this reason, the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 0.4. The minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 0.8 is advantageous for the alloy according to the invention. The minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 1 is preferred.

Für ein weiteres bedeutsames Merkmal der Erfindung ist die Festlegung einer Obergrenze für das Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 8 wichtig. Anteile des Siliciums befinden sich nach dem Gießen gelöst in der metallischen Grundmasse sowie gebunden in den Hartpartikeln erster Klasse.Important for another important feature of the invention is the determination of an upper limit of 8 for the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight. After casting, parts of the silicon are dissolved in the metallic matrix and bound in the hard particles of the first class.

Während einer thermischen oder thermomechanischen Weiterverarbeitung des Gusszustandes kommt es zumindest zu einer teilweisen Auflösung der silizidischen Komponenten der Hartpartikel erster Klasse. Dadurch erhöht sich der Si-Gehalt der metallischen Grundmasse. Übersteigt dieser einen oberen Grenzwert, so kommt es zur Ausscheidung eines überhöhten Anteils besonders von Ni-Siliziden mit zunehmender Größe. Diese würden maßgeblich die Kaltumformbarkeit der Erfindung herabsetzen.During further thermal or thermomechanical processing of the cast state, at least a partial dissolution of the silicide components of the first-class hard particles occurs. This increases the Si content of the metallic matrix. If this exceeds an upper limit value, an excessive proportion, particularly of Ni silicides, is precipitated as the size increases. These would significantly reduce the cold formability of the invention.

Aus diesem Grunde liegt das maximale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% der erfindungsgemäßen Legierung bei 8. Durch diese Maßnahme gelingt es, die Größe der sich während einer thermischen oder thermomechanischen Weiterverarbeitung des Gusszustandes der Legierung bildenden Silizide auf unter 3 µm abzusenken. Weiterhin wird hierdurch der Gehalt an Siliziden begrenzt. Als besonders vorteilhaft hat sich diesbezüglich die Begrenzung des Verhältnisses Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% auf den Maximalwert von 6 erwiesen.For this reason, the maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 8 or thermomechanical further processing of the cast state of the alloy-forming silicides to below 3 μm. Furthermore, this limits the content of silicides. Limiting the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight to the maximum value of 6 has proven to be particularly advantageous in this respect.

Die Ausscheidung der Kristallisationskeime beeinflusst die Viskosität der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung. Dieser Umstand unterstreicht, warum auf einen Zusatz von Phosphor nicht verzichtet werden darf. Phosphor bewirkt, dass die Schmelze trotz der Kristallisationskeime ausreichend dünnflüssig ist, was für die Gießbarkeit der Erfindung von großer Bedeutung ist. Der Gehalt an Phosphor der erfindungsgemäßen Legierung beträgt 0,001 bis 0,15 Gew.-%.The precipitation of the crystallization nuclei influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This circumstance underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus causes the melt to be sufficiently thin despite the crystallization nuclei, 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 0.15% by weight.

Unterhalb von 0,001 Gew.-% trägt der P-Gehalt nicht mehr zur Gewährleistung einer ausreichenden Gießbarkeit der Erfindung bei. Nimmt der Phosphor-Gehalt der Legierung Werte oberhalb von 0,15 Gew.-% an, so wird einerseits ein zu großer Ni-Anteil in Form von Phosphiden gebunden, wodurch die spinodale Entmischbarkeit des Gefüges herabgesetzt wird. Andererseits würde sich bei einem P-Gehalt oberhalb von 0,15 Gew.-% die Warmumformbarkeit der Erfindung maßgeblich verschlechtern. Aus diesem Grunde hat sich ein P-Gehalt von 0,01 bis 0,15 Gew.-% als besonders vorteilhaft erwiesen. Bevorzugt wird ein P-Gehalt in dem Bereich von 0,02 bis 0,09 Gew.-%.Below 0.001% by weight, the P content no longer contributes to ensuring sufficient castability of the invention. If the phosphorus content of the alloy assumes values above 0.15% by weight, then on the one hand an excessive Ni content is bound in the form of phosphides, which reduces the spinodal segregability of the structure. On the other hand, with a P content above 0.15% by weight, the hot workability of the invention would deteriorate significantly. For this reason, a P content of 0.01 to 0.15% by weight has proven particularly advantageous. A P content in the range from 0.02 to 0.09% by weight is preferred.

Dem Legierungselement Phosphor kommt noch aus einem anderen Grunde eine sehr wichtige Bedeutung zu. Zusammen mit dem geforderten maximalen Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 8 ist es dem Phosphor-Gehalt der Legierung zuzuschreiben, dass sich nach einer Weiterverarbeitung der Erfindung Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide sowie Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind, mit einer Größe von maximal 3 µm sowie mit einem Gehalt von 2 bis zu 35 Volumen-% im Gefüge bilden können.The alloying element phosphorus is very important for another reason. Together with the required maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 8, it is due to the phosphorus content of the alloy that after further processing of the invention Ni phosphides, Silicides and Fe-silicides and / or Fe-rich particles individually and / or as Addition compounds and/or mixed compounds are present and are encased by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn, with a maximum size of 3 µm and with a content of 2 to 35% by volume in the structure.

Diese Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind und eine Größe von maximal 3 µm aufweisen, werden nachfolgend als Hartpartikel dritter Klasse bezeichnet.These Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, are encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system and a maximum size of 3 µm are referred to below as hard particles of the third class.

Die Hartpartikel dritter Klasse besitzen im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sogar eine Größe von weniger als 1 µm.In the structure of the further processed state of the particularly preferred embodiment of the invention, the hard particles of the third class even have a size of less than 1 μm.

Diese Hartpartikel dritter Klasse ergänzen einerseits die Hartpartikel zweiter Klasse in ihrer Funktion als Verschleißträger. So erhöhen sie die Festigkeit und Härte der metallischen Grundmasse und verbessern somit die Beständigkeit der Legierung gegen eine abrasive Verschleißbeanspruchung. Andererseits erhöhen die Hartpartikel dritter Klasse die Beständigkeit der Legierung gegenüber dem adhäsiven Verschleiß. Schließlich bewirken diese Hartpartikel dritter Klasse eine maßgebliche Erhöhung der Warmfestigkeit sowie der Spannungsrelaxationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere für Gleitelemente sowie Bauelemente und Verbindungselemente in der Elektronik/Elektrotechnik dar.On the one hand, these third-class hard particles supplement the second-class hard particles in their function as wear carriers. They increase the strength and hardness of the metallic matrix and thus improve the resistance of the alloy to abrasive wear. On the other hand, the third-class hard particles increase the alloy's resistance to adhesive wear. Finally, these third-class hard particles bring about a significant increase in the high-temperature strength and the stress relaxation resistance of the alloy according to the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and components and connecting elements in electronics/electrical engineering.

Aufgrund des Gehaltes an Hartpartikeln erster Klasse im Gefüge des Gusszustandes und an Hartpartikeln zweiter und dritter Klasse im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes besitzt die erfindungsgemäße Legierung den Charakter eines ausscheidungshärtbaren Werkstoffes. Vorteilhafterweise entspricht die Erfindung einer ausscheidungshärtbaren und spinodal entmischbaren Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung.Due to the content of hard particles of the first class in the structure of the cast state and of hard particles of the second and third class in the structure of the further processed state, the alloy according to the invention has the Character of a precipitation-hardenable material. Advantageously, the invention corresponds to a precipitation hardenable and spinodally demixable copper-nickel-tin alloy.

Die Summe der Elementgehalte der Elemente Silicium, Bor und Phosphor beträgt vorteilhaft zumindest 0,2 Gew.-%.The sum of the element contents of the elements silicon, boron and phosphorus is advantageously at least 0.2% by weight.

In der Gussvariante und in der weiterverarbeiteten Variante der erfindungsgemäßen Legierung können folgende Wahlelemente enthalten sein:
Das Element Cobalt kann der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit einem Gehalt von bis zu 2,0 Gew.-% zugegeben werden. Infolge der Ähnlichkeitsbeziehung zwischen den Elementen Nickel, Eisen und Cobalt und aufgrund der bezüglich des Nickels und Eisens ebenso Si-boridbildenden, boridbildenden, silizidbildenden und phosphidbildenden Eigenschaften von Cobalt, kann das Legierungselement Cobalt zugesetzt werden, um an der Bildung der Kristallisationskeime sowie der Hartpartikel erster, zweiter und dritter Klasse der Legierung teilzunehmen. Dadurch kann der Ni-Gehalt, der in den Hartpartikeln gebunden ist, verringert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Ni-Anteil, der effektiv in der metallischen Grundmasse für die spinodale Entmischung des Gefüges zur Verfügung steht, ansteigt. Mit dem Zusatz von vorteilhafterweise 0,1 bis 2,0 Gew.-% Co ist es somit möglich, die Festigkeit und die Härte der Erfindung erheblich zu steigern.
The cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
The element cobalt can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of up to 2.0% by weight. Due to the similarity relationship between the elements nickel, iron and cobalt and due to the Si-boride-forming, boride-forming, silicide-forming and phosphide-forming properties of cobalt with regard to nickel and iron, the alloying element cobalt can be added in order to participate in the formation of the crystallization nuclei and the hard particles first , second and third class of the alloy. Thereby, the Ni content bound in the hard particles can be reduced. In this way it can be achieved that the Ni content that is effectively available in the metallic matrix for the spinodal segregation of the structure increases. With the addition of advantageously 0.1 to 2.0% by weight of Co, it is thus possible to increase the strength and hardness of the invention considerably.

Das Element Zink kann der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit einem Gehalt von 0,1 bis 2,0 Gew.-% zugesetzt werden. Es stellte sich heraus, dass das Legierungselement Zink in Abhängigkeit vom Ni-Gehalt und Sn-Gehalt der Legierung den Anteil an den ersten Phasenbestandteilen und/oder zweiten Phasenbestandteilen in der metallischen Grundmasse der Erfindung erhöht, wodurch Festigkeit und Härte zunehmen. Verantwortlich dafür zu machen sind die Wechselwirkungen zwischen dem Ni-Anteil und dem Zn-Anteil. Infolge dieser Wechselwirkungen zwischen dem Ni-Anteil und dem Zn-Anteil wurde ebenfalls eine Abnahme der Größe der Hartpartikel erster und zweiter Klasse festgestellt, die sich somit feiner verteilt im Gefüge bildeten. Unter 0,1 Gew.-% Zn konnten diese Auswirkungen auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften der Erfindung 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 Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung. Vorteilhafterweise kann der Erfindung ein Zink-Gehalt im Bereich von 0,1 bis 1,5 Gew.-% zugesetzt werden.The element zinc can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of 0.1 to 2.0% by weight. It has been found that the alloying element zinc, depending on the Ni content and Sn content of the alloy, increases the proportion of the first phase components and/or second phase components in the metallic matrix of the invention, thereby increasing strength and hardness. They are to be held responsible for this Interactions between the Ni content and the Zn content. As a result of these interactions between the Ni content and the Zn content, a decrease in the size of the first and second class hard particles was also determined, which were thus formed in a more finely distributed manner in the structure. Below 0.1% by weight of Zn, these effects on the structure and mechanical properties of the invention could not be observed. At Zn levels above 2.0 wt%, the toughness properties of the alloy were lowered to a lower level. In addition, the corrosion resistance of the copper-nickel-tin alloy according to the invention deteriorated. Advantageously, a zinc content ranging from 0.1 to 1.5% by weight can be added to the invention.

Wahlweise kann die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung geringe, über der Verunreinigungsgrenze liegende Bleianteile bis maximal 0,25 Gew.-% aufweisen. Bei einer besonders bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bis auf etwaige unvermeidbare Verunreinigungen frei von Blei, womit den aktuellen Umweltstandards entsprochen wird. In diesem Zusammenhang sind Bleigehalte bis maximal 0,1 Gew.-% an Pb angedacht.Optionally, the copper-nickel-tin alloy according to the invention can have small amounts of lead, which are above the impurity limit, up to a maximum of 0.25% by weight. In a particularly preferred advantageous embodiment of the invention, the copper-nickel-tin alloy is free of lead except for any unavoidable impurities, which means that current environmental standards are met. In this context, lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are contemplated.

Die Bildung von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie von Phosphorsilikaten führt nicht nur zu einer signifikanten Reduzierung des Gehaltes an Poren und Rissen im Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung. Diese silikatisch basierten Phasen übernehmen auch die Rolle eines verschleißschützenden und korrosionsschützenden Überzuges auf den Bauteilen.The formation of Si-containing and B-containing phases, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates, not only leads to a significant reduction in the content of pores and cracks in the structure of the alloy according to the invention. These silicate-based phases also assume the role of an anti-wear and anti-corrosion coating on the components.

Während der adhäsiven Verschleißbeanspruchung eines Bauteils aus der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung 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 stress of a component made of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the alloying element tin contributes to the formation of a so-called tribolayer between the sliding partners. Especially under mixed friction conditions this mechanism is significant when the emergency running properties of a material are increasingly important. The tribological layer leads to a reduction in the purely metallic contact surface 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 Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie von Phosphorsilikaten. Diese Verbindungen verstärken noch die Triboschicht, die sich vornehmlich aufgrund des Legierungselementes Zinn ausbildet, woraus eine gesteigerte adhäsive Verschleißbeständigkeit der Gleitelemente aus der erfindungsgemäßen Legierung resultiert.Due to the increase in efficiency of modern engines, machines and aggregates, higher and higher operating pressures and operating temperatures are occurring. This can be observed in particular in the newly developed internal combustion engines, in which work is being done towards more and more complete combustion of the fuel. In addition to the increased temperatures in the combustion engine room, there is also the heat that occurs during the operation of the plain bearing systems. As a result of the high temperatures in storage operation, the parts made of the alloy according to the invention form, similar to casting and hot forming, phases containing Si and B, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates . These compounds further reinforce the tribolayer, which forms primarily due to the alloying element tin, resulting in increased adhesive wear resistance of the sliding elements made from the alloy according to the invention.

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. This 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 oscillating wear, so-called fretting.

Neben dem wichtigen Beitrag der Hartpartikel dritter Klasse zur Erhöhung der Beständigkeit der Erfindung gegenüber dem abrasiven und adhäsiven Mechanismus des Gleitverschleißes, tragen die Hartpartikel dritter Klasse maßgeblich zur Erhöhung der Schwingfestigkeit bei. Die Hartpartikel dritter Klasse stellen zusammen mit den Hartpartikeln zweiter Klasse Hindernisse für die Ausbreitung von Ermüdungsrissen dar, die besonders beim Schwingreibverschleiß, dem sogenannten Fretting, in das beanspruchte Bauteil eingebracht werden können. Damit ergänzen die Hartpartikel zweiter und dritter Klasse insbesondere die verschleißschützende und korrosionsschützende Wirkung der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie der Phosphorsilikate hinsichtlich der Erhöhung der Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber dem Schwingreibverschleiß, dem sogenannten Fretting.In addition to the important contribution made by the hard particles of the third class to increasing the resistance of the invention to the abrasive and adhesive mechanism of sliding wear, the hard particles of the third class make a significant contribution to increasing the fatigue strength. The hard particles of the third class, together with the hard particles of the second class, represent obstacles to the propagation of fatigue cracks, which can be introduced into the stressed component, particularly in the case of dynamic friction wear, the so-called fretting. The hard particles of the second and third class supplement in particular the anti-wear and anti-corrosion effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and the phosphorus silicates with regard to increasing the resistance of the alloy according to the invention to dynamic friction wear, the so-called fretting.

Die Warmfestigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit gehören zu den weiteren wesentlichen Eigenschaften einer Legierung, die für Verwendungszwecke eingesetzt wird, bei denen höhere Temperaturen auftreten. Zur Gewährleistung einer ausreichend hohen Warmfestigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit wird eine hohe Dichte an feinen Ausscheidungen als vorteilhaft angesehen. Derartige Ausscheidungen sind in der erfindungsgemäßen Legierung die Hartpartikel dritter Klasse sowie die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.High temperature strength and stress relaxation resistance are other important properties of an alloy used in higher temperature applications. A high density of fine precipitates is considered to be advantageous in order to ensure sufficiently high heat resistance and stress relaxation resistance. In the alloy according to the invention, such precipitations are the hard particles of the third class and the continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system.

Aufgrund des gleichmäßigen und feinkörnigen Gefüges mit einer weitgehenden Porenfreiheit, Rissfreiheit und Seigerungsfreiheit und dem Gehalt an Hartpartikeln erster Klasse besitzt die erfindungsgemäße Legierung schon im Gusszustand ein hohes Maß an Festigkeit, Härte, Duktilität, komplexer Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Durch diese Eigenschaftskombination können bereits aus den Gussformaten Gleitelemente und Führungselemente hergestellt werden. Der Gusszustand der Erfindung kann des Weiteren auch für die Herstellung von Armaturengehäusen sowie von Gehäusen von Wasserpumpen, Ölpumpen und Kraftstoffpumpen eingesetzt werden. Außerdem ist die erfindungsgemäße Legierung für Propeller, Flügel, Schiffsschrauben und Naben für den Schiffbau verwendbar.Due to the uniform and fine-grained structure with largely no pores, no cracks and no segregation and the content of first-class 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 cast state. This combination of properties means that sliding elements and guide elements can be produced from the cast format. The cast state of the invention can also be used for the production of fitting housings and housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps. In addition, the alloy of the present invention can be used for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding.

Für die Einsatzgebiete mit einer besonders starken komplexen und/oder dynamischen Bauteilbeanspruchung kann die weiterverarbeitete Variante der Erfindung Verwendung finden.The further processed variant of the invention can be used for areas of application with a particularly strong, complex and/or dynamic component stress.

Durch die herausragenden Festigkeitseigenschaften und die Verschleißbeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung 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. Weiterhin können aus der Erfindung Rohre, Dichtungen und Verbindungsbolzen hergestellt werden, die in der maritimen und chemischen Industrie benötigt werden.Due to the outstanding strength properties and wear resistance as well as corrosion resistance of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, another possible application comes into consideration. Thus, the invention is suitable for the metal objects in constructions for the rearing of organisms living in sea water (aquaculture). Furthermore, pipes, seals and connecting bolts which are required in the maritime and chemical industries can be produced from the invention.

Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung von Schlaginstrumenten ist der Werkstoff von großer Bedeutung. Insbesondere Becken (engl. Cymbals) hochwertiger Qualität werden bislang aus zumeist 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 (z.B. 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 der Phasen der metallischen Grundmasse und der unterschiedlichen 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. In particular, cymbals of high quality have hitherto been made from mostly tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are brought into their final shape, usually by means of a bell or bowl. The basins are then annealed again before their final machining takes place. The production of the different variants of the cymbal (eg ride cymbal, hi-hat, crash cymbal, China cymbal, splash cymbal and effect cymbal) therefore requires a particularly advantageous hot workability of the material, which is ensured by the alloy according to the invention. Within the range limits of the chemical composition of the invention, different structural proportions of the Phases of the metallic matrix and the different hard particles can be set in a very wide range. In this way it is already possible to influence the sound of the cymbals on the alloy side.

Insbesondere für die Herstellung von Verbundgleitlagern kann die Erfindung verwendet werden, um mittels eines Fügeverfahrens auf einen Verbundpartner aufgebracht zu werden. So ist eine Verbundherstellung zwischen Scheiben, Platten oder Bändern der Erfindung und Stahlzylindern oder Stahlbändern, vorzugsweise aus einem Vergütungsstahl, mittels Schmieden, Löten oder Schweißen mit der wahlweisen Durchführung von zumindestens einer Glühung im Temperaturbereich von 170 bis 880°C möglich. Ebenso können beispielsweise Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen durch Walzplattieren, induktives oder konduktives Walzplattieren oder durch Laser-Walzplattieren, ebenfalls mit der wahlweisen Durchführung von zumindestens einer Glühung im Temperaturbereich von 170 bis 880°C, hergestellt werden.The invention can be used in particular for the production of composite plain bearings in order to be applied to a composite partner by means of a joining method. It is thus possible to produce a composite between disks, plates or strips of the invention and steel cylinders or steel strips, preferably made of heat-treated steel, by means of forging, soldering or welding with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C. Likewise, for example, composite bearing shells or composite bearing bushes can be produced by roll-bonding, inductive or conductive roll-bonding or by laser roll-bonding, also with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.

Infolge der Gefügeausbildung in der erfindungsgemäßen Legierung ergeben sich weitere Möglichkeiten der Herstellung von Verbund-Gleitelementen wie Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen. So ist es möglich, auf einen Grundkörper aus der Erfindung mittels Feuerverzinnung oder galvanischer Verzinnung, Sputtern oder mit dem PVD-Verfahren oder CVD-Verfahren eine Beschichtung aus Zinn oder aus einem Sn-reichen Werkstoff aufzubringen, der beim Lagerbetrieb als Laufschicht dient.As a result of the formation of the microstructure in the alloy according to the invention, there are further possibilities for the production of composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes. It is thus possible to apply a coating of tin or a Sn-rich material to a base body of the invention by means of hot-dip tinning or galvanic tinning, sputtering or the PVD process or CVD process, which serves as a running layer in storage operations.

Auf diese Weise können hochleistungsfähige Verbund-Gleitelemente wie Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen auch als Dreischichtsystem, mit einem Lagerrücken aus Stahl, dem eigentlichen Lager aus der erfindungsgemäßen Legierung und der Laufschicht aus Zinn oder aus der Sn-reichen Beschichtung hergestellt werden. Dieses Mehrschichtsystem wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Anpassungsfähigkeit und Einlauffähigkeit des Gleitlagers aus und verbessert die Einbettfähigkeit von Fremdpartikeln und Abrasivpartikeln, wobei es auch bei thermischer oder thermomechanischer Beanspruchung des Gleitlagers nicht zu einer Schädigung durch eine Aufhebung des Schichtverbundsystems infolge von Porenbildungen und Rissbildungen im Grenzbereich der einzelnen Schichten kommt.In this way, high-performance composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes can also be produced as a three-layer system, with a bearing back made of steel, the actual bearing made of the alloy according to the invention and the overlay made of tin or the Sn-rich coating. This multi-layer system has a particularly beneficial effect on the adaptability and shrinkability of the plain bearing and improves the embedding ability of foreign particles and abrasive particles, whereby thermal or thermomechanical stress on the plain bearing does not result in damage due to the layer composite system being broken as a result of pore formation and cracking in the border area of the individual layers.

Das große Potential der Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe besonders hinsichtlich der Festigkeit, der Federeigenschaften und der Spannungsrelaxationsbeständigkeit kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung auch für das Einsatzgebiet der verzinnten Bauelemente, Leitungselemente, Führungselemente und Verbindungselemente in der Elektronik und Elektrotechnik genutzt werden. So wird durch das Gefüge der Erfindung der Schädigungsmechanismus der Porenbildung und Rissbildung im Grenzbereich zwischen der erfindungsgemäßen Legierung und der Verzinnung auch bei erhöhten Temperaturen vermindert, wodurch einer Vergrößerung des elektrischen Übergangswiderstandes der Bauelemente oder gar einer Ablösung der Verzinnung entgegengewirkt wird.The great potential of copper-nickel-tin materials, particularly with regard to strength, spring properties and resistance to stress relaxation, can also be used for the field of tin-plated components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics and electrical engineering by using the alloy according to the invention. The structure of the invention reduces the damage mechanism of pore formation and cracking in the boundary area between the alloy according to the invention and the tinning, even at elevated temperatures, which counteracts an increase in the electrical contact resistance of the components or even detachment of the tinning.

Eine maschinelle Bearbeitung der Halbzeuge und Bauteile aus den konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Knetlegierungen mit einem Ni-Gehalt und Sn-Gehalt bis jeweils ca. 10 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 the conventional wrought copper-nickel-tin alloys with a Ni content and Sn content of up to approx. 10% by weight is only possible with great effort due to the insufficient machinability. The occurrence of long spiral chips in particular causes long machine downtimes, since the chips first have to be removed from the machining area of the machine by hand.

Bei der erfindungsgemäßen Legierung dagegen dienen die unterschiedlichen Hartpartikel als Spanbrecher. Die somit entstehenden kurzen Bröckelspäne und/oder Wirrspäne erleichtern die Zerspanbarkeit, weshalb die Halbzeuge und Bauteile aus dem Gusszustand und dem weiterverarbeiteten Zustand der erfindungsgemäßen Legierung eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit aufweisen.In the case of the alloy according to the invention, on the other hand, the different hard particles serve as chip breakers. The resulting short crumbly chips and/or tangled chips facilitate machinability, which is why the semi-finished products and components from the cast state and the further processed state of the alloy according to the invention have better machinability.

Wichtige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Tabellen 1 bis 12 erläutert. Es wurden Gussplatten der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung (Ausführungsbeispiel A) sowie des Referenzwerkstoffes R durch Strangguss hergestellt. Weiterhin erfolgte der Strangguss von Rohren der Abmessung (92x72) mm aus den Ausführungsbeispielen B und C. Die chemische Zusammensetzung der Abgüsse geht aus Tab. 1 hervor.Important exemplary embodiments of the invention are explained using Tables 1 to 12. Cast plates of the copper-nickel-tin alloy according to the invention (example A) and of the reference material R were produced by continuous casting. Furthermore, the continuous casting of pipes with the dimensions (92×72) mm from the exemplary embodiments B and C took place. The chemical composition of the castings can be seen from Table 1.

Die Ausführungsbeispiele A bis C sind durch einen Ni-Gehalt von 5,48 bis 6,15 Gew.-%, einen Sn-Gehalt von 4,94 bis 5,76 Gew.-%, einen Fe-Gehalt von 0,079 bis 0,22 Gew.-%, einen Si-Gehalt von 0,26 bis 0,31 Gew.-%, einen B-Gehalt von 0,14 bis 0,20 Gew.-%, einen P-Gehalt von 0,048 bis 0,072 Gew.-% sowie durch einen Rest Kupfer gekennzeichnet. Der Referenzwerkstoff R gehört den konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen an, die dem Stand der Technik entsprechen. Er weist einen Ni-Gehalt von 5,78 Gew.-%, einen Sn-Gehalt von 5,75 Gew.-%, einen P-Gehalt von ca. 0,032 Gew.-% und einen Rest an Kupfer auf. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Ausführungsbeispiele A, B und C und des Referenzwerkstoffes R (in Gew.-%) Leg. Cu Ni Sn Fe Si B P A Rest 6,15 5,76 0,220 0,28 0,14 0,072 B Rest 6,06 5,35 0,079 0,26 0,18 0,061 C Rest 5,48 4,94 0,200 0,31 0,20 0,048 R Rest 5,78 5,75 - - - 0,032 The exemplary embodiments A to C are characterized by a Ni content of 5.48 to 6.15% by weight, an Sn content of 4.94 to 5.76% by weight, an Fe content of 0.079 to 0. 22% by weight, an Si content of 0.26 to 0.31% by weight, a B content of 0.14 to 0.20% by weight, a P content of 0.048 to 0.072% by weight. -% and characterized by a remainder of copper. The reference material R belongs to the conventional copper-nickel-tin alloys that correspond to the state of the art. It has a Ni content of 5.78% by weight, an Sn content of 5.75% by weight, a P content of about 0.032% by weight and the remainder is copper. <b><u>Table 1:</u></b> Chemical composition of the exemplary embodiments A, B and C and the reference material R (in % by weight) legs Cu no sn feet si B P A rest 6:15 5.76 0.220 0.28 0.14 0.072 B rest 6.06 5.35 0.079 0.26 0.18 0.061 C rest 5.48 4.94 0.200 0.31 0.20 0.048 R rest 5.78 5.75 - - - 0.032

Das Gefüge der Stranggussplatten des Referenzwerkstoffes R weist Gas- und Schwindungsporen sowie Sn-reiche Seigerungen besonders an den Korngrenzen auf.The structure of the continuously cast plates of the reference material R shows gas and shrinkage pores as well as Sn-rich segregations, especially at the grain boundaries.

Im Gegensatz zu dem Referenzwerkstoff R besitzt der Strangguss der Ausführungsbeispiele A bis C aufgrund der Wirkung der Kristallisationskeime ein gleichmäßig erstarrtes, porenfreies und seigerungsfreies Gefüge.In contrast to the reference material R, continuous casting has the Embodiments A to C a uniformly solidified, pore-free and segregation-free structure due to the effect of the crystallization nuclei.

Die metallische Grundmasse des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A besteht aus einem Kupfer-Mischkristall mit, bezogen auf das Gesamtgefüge, ca. 10 bis 15 Volumen-% inselförmig eingelagerten ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm angegeben werden können und ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 aufweisen. Es konnten die Verbindungen CuNi14Sn23 und CuNi9Sn20 mit einem Verhältnis (h+k)/m von 3,4 und 4 ermittelt werden. Außerdem sind in der metallischen Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge, ca. 5 bis 10 Volumen-% zweite Phasenbestandteile inselförmig eingelagert, die mit der Summenformel CupNirSns angegeben werden können und ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen. Nachgewiesen wurden die Verbindungen CuNi3Sn8 und CuNi4Sn7 mit einem Verhältnis (p+r)/s von 11,5 und 13,3. Die ersten und zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse sind überwiegend im Bereich der Kristallisationskeime kristallisiert und ummanteln diese.The metallic matrix of the as-cast state of the exemplary embodiment A consists of a copper mixed crystal with, based on the overall structure, approx. 10 to 15% by volume of island-shaped embedded first phase components, which can be specified with the empirical formula Cu h Ni k Sn m and a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % from 2 to 6. The compounds CuNi 14 Sn 23 and CuNi 9 Sn 20 with a ratio (h+k)/m of 3.4 and 4 could be determined. In addition, in the metallic matrix with, based on the overall structure, about 5 to 10% by volume of second phase components are embedded in islands, which can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and a ratio (p + r) / s of Have element contents in atomic percent from 10 to 15. The compounds CuNi 3 Sn 8 and CuNi 4 Sn 7 with a ratio (p+r)/s of 11.5 and 13.3 were detected. The first and second phase components of the metallic matrix are predominantly crystallized in the area of the crystallization nuclei and encase them.

Die Analyse der Hartpartikel erster Klasse im Gusszustand des Ausführungsbeispiels A ergab Hinweise auf die Verbindung SiB6 als Vertreter der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, auf Ni6Si2B als Vertreter der Ni-Si-Boride, auf Ni3B als Vertreter der Ni-Boride, auf FeB als Vertreter der Fe-Boride, auf Ni3P als Vertreter der Ni-Phosphide, auf Fe2P als Vertreter der Fe-Phosphide, auf Ni2Si als Vertreter der Ni-Silizide sowie auf Fe-reiche Teilchen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen im Gefüge vorliegen. Zusätzlich sind diese Hartpartikel von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder zweiten Phasenbestandteilen der metallischen Grundmasse ummantelt.The analysis of the first-class hard particles in the cast state of exemplary embodiment A gave indications of the compound SiB 6 as a representative of the Si-containing and B-containing phases, of Ni 6 Si 2 B as a representative of the Ni-Si borides, of Ni 3 B as a Representatives of the Ni borides, FeB as a representative of the Fe borides, Ni 3 P as a representative of the Ni phosphides, Fe 2 P as a representative of the Fe phosphides, Ni 2 Si as a representative of the Ni silicides and Fe -rich particles that are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds in the structure. In addition, these hard particles are encased by tin and/or the first phase components and/or second phase components of the metallic matrix.

Während des Gießprozesses der Ausführungsbeispiele A bis C bildete sich in den primären Gusskörnern eine Substruktur aus. Diese Subkörner weisen im Gussgefüge der Ausführungsbeispiele A bis C der Erfindung eine Korngröße von weniger als 10 µm auf. Infolge der Subkornstruktur und der im Gefüge der Ausführungsbeispiele A bis C der Erfindung ausgeschiedenen Hartpartikel liegt die Härte HB des Gusszustandes der Ausführungsbeispiele deutlich über der Härte des Stranggusses von R (Tab. 2). Tabelle 2: Härte HB 2,5/62,5 des Gusszustandes und des ausgelagerten Zustandes der Ausführungsbeispiele A bis C und des Referenzwerkstoffes R Leg. Strangguss Härte HB 2,5/62,5 Strangguss + Auslagerung Härte HB 2,5/62,5 330°C/3h/Luft 400°C/3h/Luft 470°C/3h/Luft A 169 - 173 - B 142 155 158 162 C 156 168 178 180 R 94 - 145 - During the casting process of the exemplary embodiments A to C, a substructure formed in the primary casting grains. In the cast structure of exemplary embodiments A to C of the invention, these sub-grains have a grain size of less than 10 μm. As a result of the sub-grain structure and the hard particles precipitated in the structure of the exemplary embodiments A to C of the invention, the hardness HB of the as-cast state of the exemplary embodiments is significantly higher than the hardness of the continuously cast R (Table 2). <b><u>Table 2:</u></b> Hardness HB 2.5/62.5 of the cast condition and the aged condition of the exemplary embodiments A to C and the reference material R legs Continuous casting hardness HB 2.5/62.5 Continuous casting + aging Hardness HB 2.5/62.5 330°C/3h/air 400°C/3h/air 470°C/3h/air A 169 - 173 - B 142 155 158 162 C 156 168 178 180 R 94 - 145 -

Ebenfalls in der Tab. 2 dargestellt sind die Härtewerte, die an dem bei 330, 400 und 470°C mit einer Dauer von 3 Stunden ausgelagerten Strangguss der Legierungen A bis C und R ermittelt wurden. Der Härteanstieg von 94 auf 145 HB fällt bei dem Referenzwerkstoff R am größten aus. Diese Aufhärtung ist besonders auf eine thermisch aktivierte Seigerungsbildung der Sn-reichen Phase im Gefüge zurückzuführen. Die mit Zinn angereicherten Phasenbestandteile scheiden sich im Gefüge der Ausführungsbeispiele A bis C deutlich feiner im Bereich der Hartpartikel aus. Aus diesem Grunde steigt die Härte des bei 400°C ausgelagerten Zustandes der Legierung A von 169 auf 173 HB nur geringfügig an. Auch die Härte HB des Ausführungsbeispiels C steigt von 156 auf 178 infolge der Auslagerung nicht so ausgeprägt an.Table 2 also shows the hardness values that were determined on the continuously cast alloys A to C and R aged at 330, 400 and 470°C for a period of 3 hours. The increase in hardness from 94 to 145 HB is greatest for the reference material R. This hardening is particularly due to thermally activated segregation of the Sn-rich phase in the structure. The phase components enriched with tin are separated in the structure of the exemplary embodiments A to C in a much finer way in the area of the hard particles. For this reason, the hardness of the alloy A aged at 400° C. increases only slightly from 169 to 173 HB. The hardness HB of the exemplary embodiment C also does not increase so markedly from 156 to 178 as a result of the aging.

Ein Vorhaben der Erfindung besteht in der Beibehaltung der guten Kaltumformbarkeit der konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen trotz derA project of the invention is to maintain the good cold workability of conventional copper-nickel-tin alloys despite the

Einbringung von Hartpartikeln. Zur Überprüfung des Erreichungsgrades dieses Ziels wurde das Fertigungsprogramm 1 mit den Stranggussplatten der Legierungen A und R gemäß der Tab. 3 durchgeführt. Dieses Fertigungsprogramm bestand aus einem Zyklus aus Kaltumformungen und Glühungen, wobei die Kaltwalzschritte jeweils mit dem maximal möglichen Kaltumformgrad erfolgten.incorporation of hard particles. To check the degree of achievement of this goal, production program 1 was carried out with the continuously cast plates of alloys A and R according to Table 3. This production program consisted of a cycle of cold forming and annealing, with the cold rolling steps being carried out with the maximum possible degree of cold forming.

Aufgrund der hohen Härte des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A wurde dieser bei der Temperatur von 740°C mit der Dauer von 2 Stunden geglüht und nachfolgend in Wasser beschleunigt abgekühlt. Dadurch erfolgte die Angleichung der Eigenschaften des Gusszustandes von A und R hinsichtlich der Festigkeit und der Härte.Due to the high hardness of the cast condition of example A, it was annealed at a temperature of 740° C. for a period of 2 hours and then cooled in water in an accelerated manner. As a result, the properties of the as-cast condition of A and R in terms of strength and hardness were equalized.

Die für das Ausführungsbeispiel A erreichbaren Kaltumformgrade ε von 57 und 91 % unterstreichen, dass die erfindungsgemäße Legierung trotz des Gehaltes an Hartpartikeln die Formänderungseigenschaften der konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung R erreichen und sogar übertreffen kann.The degrees of cold forming ε of 57 and 91% that can be achieved for example A underline that the alloy according to the invention, despite the content of hard particles, can achieve and even surpass the deformation properties of the conventional copper-nickel-tin alloy R.

Die Temperaturempfindlichkeit des Referenzwerkstoffes R hinsichtlich der Bildung der Sn-reichen Seigerungen zeigte sich auch bei der Glühung zwischen den beiden Kaltumformschritten (Nr. 4 in Tab. 3). Aus diesem Grunde musste die Glühtemperatur von 740°C, die für die Zwischenglühung der kaltgewalzten Platte der Legierung A verwendet wurde, für R auf 690°C abgesenkt werden. Tabelle 3: Fertigungsprogramm 1 von Bändern aus den Strangguss-Platten des Ausführungsbeispiels A und des Referenzwerkstoffes R Nr. Fertigungsschritte 1 Strangguss Platten der Legierungen A und R 2 Glühen der Gussplatte der Leg. A: 740°C/2h+Wasserabschreckung 3 Kaltwalzen Leg. A: von 11 an 4,70 mm (ε= 57 %, ϕ= 0,8) Leg. R: von 24,5 an 12,1 mm (ε= 50 %, ϕ= 0,7) 4 Glühen Leg. A: 740°C/2h + Wasserabschreckung Leg. R: 690°C/2h + Wasserabschreckung 5 Kaltwalzen Leg. A: von 4,70 an 0,4 mm (ε= 91 %, ϕ= 2,4) Leg. R: von 12,1 an 2,33 mm (ε= 81 %, ϕ= 1,6) 6 Auslagerung: 300°C/4h, 400°C/3h, 450°C/3h + Luftabkühlung The temperature sensitivity of the reference material R with regard to the formation of the Sn-rich segregations was also evident during the annealing between the two cold-forming steps (No. 4 in Table 3). For this reason, the annealing temperature of 740°C used for the intermediate anneal of the alloy A cold-rolled plate had to be lowered to 690°C for R. <b><u>Table 3:</u></b> Production program 1 of strips from the continuously cast plates of example A and the reference material R No. manufacturing steps 1 Continuous cast plates of alloys A and R 2 Annealing of the cast plate of the Leg. A: 740°C/2h+water quench 3 cold rolling legs A: from 11 to 4.70 mm (ε= 57%, ϕ= 0.8) legs R: from 24.5 to 12.1 mm (ε= 50%, ϕ= 0.7) 4 glow legs A: 740°C/2h + water quench legs R: 690°C/2h + water quench 5 cold rolling legs A: from 4.70 to 0.4 mm (ε= 91%, ϕ= 2.4) legs R: from 12.1 to 2.33 mm (ε= 81%, ϕ= 1.6) 6 Aging: 300°C/4h, 400°C/3h, 450°C/3h + air cooling

Nach der Durchführung des Fertigungsprogrammes 1 erfolgte die Ermittlung der Kennwerte der Bänder der Werkstoffe A und R nach dem letzten Kaltwalzen und nach erfolgter Auslagerung, die in der Tab. 4 aufgeführt sind.After the execution of production program 1, the characteristic values of the strips of materials A and R were determined after the last cold rolling and after aging, which are listed in Table 4.

Es wird deutlich, dass die Festigkeiten und die Härte der kaltgewalzten und der bei 300°C ausgelagerten Bänder des Ausführungsbeispiels A höher sind als die jeweiligen Eigenschaften der Bänder des Referenzwerkstoffes R.It is clear that the strength and hardness of the cold-rolled strips and those stripped at 300°C from example A are higher than the respective properties of the strips of reference material R.

Begünstigt durch den hohen Gehalt an Hartpartikeln, findet ab der Temperatur von ca. 400°C eine Rekristallisation des Gefüges von Legierung A statt. Diese Rekristallisation führt zu einem Abfall der Festigkeiten und der Härte, so dass die Wirkung der Ausscheidungshärtung und der spinodalen Entmischung nicht zum Tragen kommen kann. Da bei dem Referenzwerkstoff R bis 450°C keine Rekristallisation des Gefüges zu beobachten ist, liegen die Werte für Rm, Rp0.2 sowie für die Härte insbesondere nach einer Auslagerung bei 400°C bei R höher als bei dem Ausführungsbeispiel A.Favored by the high content of hard particles, a recrystallization of the structure of alloy A takes place from a temperature of approx. 400°C. This recrystallization leads to a drop in strength and hardness, so that the effect of precipitation hardening and spinodal segregation cannot come into play. Since no recrystallization of the structure can be observed with the reference material R up to 450°C, the values for R m , R p0.2 and for the hardness, especially after aging at 400° C., are higher at R than in exemplary embodiment A.

Im Gefüge des weiterverarbeiteten Ausführungsbeispiels A sind nach einer Auslagerung bei 450°C die Hartpartikel zweiter Klasse enthalten (in Fig. 3 mit 3 bezeichnet).After aging at 450° C., the structure of the further processed exemplary embodiment A contains the hard particles of the second class (in 3 labeled 3).

Des Weiteren haben sich im Gefüge der weiterverarbeiteten Legierung A weitere Phasen ausgeschieden. Dazu zählen die in Fig. 3 mit 4 bezeichneten kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn sowie die Hartpartikel dritter Klasse.Furthermore, further phases have separated out in the structure of the further processed Alloy A. These include the in 3 continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system denoted by 4 and the hard particles of the third class.

Für die weiterverarbeitete erfindungsgemäße Legierung ist die Größe der Hartpartikel dritter Klasse von kleiner 3 µm charakteristisch. Sie beträgt für das weiterverarbeitete Ausführungsbeispiel A der Erfindung nach einer Auslagerung bei 450°C sogar weniger als 1 µm (in Fig. 4 mit 5 bezeichnet). Tabelle 4: Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der kaltgewalzten und ausgelagerten Bänder der Legierungen A und R nach Durchlaufen des Fertigungsprogrammes 1 (Tabelle 3)

Figure imgb0001
= noch nicht vollständig rekristallisiert Leg. Auslagerung [°C/ h] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [%IACS] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] E [GPa] Härte HV1 A - - 10,6 974 917 3,2 119 311 300°C/4h - 15,6 969 927 5,3 125 320 400°C/3h
Figure imgb0002
< 2
23,2 704 679 17,5 126 237
450°C/3h < 1 24,5 591 575 22,3 126 193 R - - 10,7 838 787 7,2 120 267 300°C/4h - 13,8 910 874 9,2 118 297 400°C/3h - 22,0 793 735 13,6 108 264 450°C/3h - 23,2 610 508 23,0 124 195 The size of the third-class hard particles of less than 3 μm is characteristic of the further processed alloy according to the invention. For the further processed exemplary embodiment A of the invention, after aging at 450° C., it is even less than 1 μm (in 4 marked 5). <b><u>Table 4:</u></b> Grain size, electrical conductivity and mechanical characteristics of the cold-rolled and aged strips of alloys A and R after running through production program 1 (Table 3)
Figure imgb0001
= not yet fully recrystallized
legs Aging [°C/h] grain size [µm] Electrical conductivity [%IACS] R m [MPa] R p0.2 [MPa] A [%] E [GPa] Hardness HV1
A - - 10.6 974 917 3.2 119 311 300°C/4h - 15.6 969 927 5.3 125 320 400°C/3h
Figure imgb0002
< 2
23.2 704 679 17.5 126 237
450°C/3h < 1 24.5 591 575 22.3 126 193 R - - 10.7 838 787 7.2 120 267 300°C/4h - 13.8 910 874 9.2 118 297 400°C/3h - 22.0 793 735 13.6 108 264 450°C/3h - 23.2 610 508 23.0 124 195

Um den Einfluss der Kaltumformbarkeit und der Rekristallisationstemperatur auf die Eigenschaften der einzelnen Legierungen zu vermindern, wurde ein weiteres Fertigungsprogramm durchgeführt. Dieses Fertigungsprogramm 2 verfolgte das Ziel, die Stranggussplatten der Werkstoffe A und R mittels Kaltumformungen und Glühungen zu Bändern zu verarbeiten, wobei jeweils identische Parameter für die Kaltumformgrade und die Glühtemperaturen verwendet wurden (Tab. 5). Aufgrund der hohen Härte des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A wurde dieser wiederum noch vor dem ersten Kaltwalzschritt bei der Temperatur von 740°C mit der Dauer von 2 Stunden geglüht und nachfolgend in Wasser beschleunigt abgekühlt. Dadurch erfolgte, wie bei dem Fertigungsprogramm 1, die Angleichung der Eigenschaften des Gusszustandes von A und R hinsichtlich der Festigkeit und der Härte. Tabelle 5: Fertigungsprogramm 2 von Bändern aus den Strangguss-Platten des Ausführungsbeispiels A und des Referenzwerkstoffes R Nr. Fertigungsschritte 1 Strangguss Platten der Legierungen A und R 2 Glühen der Gussplatte der Leg. A: 740°C/2h+Wasserabschreckung 3 Kaltwalzen: von 9 an 6 mm (ε= 33 %, ϕ= 0,4) 4 Glühen: 690°C/2h + Wasserabschreckung 5 Kaltwalzen: von 6 an 3,5 mm (ε= 42 %, ϕ= 0,5) 6 Glühen: 690°C/1h + Wasserabschreckung 7 Kaltwalzen: von 3,5 an 3,0 mm (ε= 14 %, ϕ= 0,15) 8 Auslagerung: 400°C/3h, 450°C/3h, 500°C/3h + Luftabkühlung In order to reduce the influence of cold workability and the recrystallization temperature on the properties of the individual alloys, another production program was carried out. This production program 2 pursued the goal of processing the continuously cast plates of materials A and R into strips by means of cold forming and annealing, with identical parameters for the degrees of cold forming and the annealing temperatures being used in each case (Table 5). Due to the high hardness of the cast condition of example A, this was again annealed before the first cold-rolling step at a temperature of 740° C. for a period of 2 hours and then cooled in water in an accelerated manner. As with production program 1, this resulted in the properties of the cast condition of A and R being matched with regard to strength and hardness. <b><u>Table 5:</u></b> Production program 2 of strips from the continuously cast plates of example A and the reference material R No. manufacturing steps 1 Continuous cast plates of alloys A and R 2 Annealing of the cast plate of the Leg. A: 740°C/2h+water quench 3 Cold rolling: from 9 to 6 mm (ε= 33%, ϕ= 0.4) 4 Annealing: 690°C/2h + water quenching 5 Cold rolling: from 6 to 3.5 mm (ε= 42%, ϕ= 0.5) 6 Annealing: 690°C/1h + water quenching 7 Cold rolling: from 3.5 to 3.0 mm (ε= 14%, ϕ= 0.15) 8th Aging: 400°C/3h, 450°C/3h, 500°C/3h + air cooling

Nach dem letzten Kaltwalzschritt an die Enddicke von 3,0 mm weisen die Bänder der Legierung A die höchsten Festigkeits- und Härtewerte auf (Tab. 6).After the last cold-rolling step to the final thickness of 3.0 mm, the alloy A strip exhibited the highest strength and hardness values (Table 6).

Durch die dreistündige Auslagerung bei 400°C fällt infolge der spinodalen Entmischung des Gefüges der Anstieg der Festigkeiten Rm (von 498 auf 717 MPa) und Rp0,2 (von 439 auf 649 MPa) sowie der Härte HB (von 166 auf 230 MPa) bei der Legierung R am deutlichsten aus. Allerdings ist das Gefüge der ausgelagerten Zustände der Legierung R sehr ungleichmäßig mit einer Korngröße, die zwischen 5 und 30 µm beträgt. Außerdem ist das Gefüge der ausgelagerten Zustände des Referenzwerkstoffes R von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn geprägt (in Fig. 1 und Fig. 2 mit 1 bezeichnet). In dem Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes des Referenzwerkstoffes R sind weiterhin Ni-Phosphide enthalten (in Fig. 1 und Fig. 2 mit 2 bezeichnet).Due to the three-hour aging at 400°C, the increase in strength R m (from 498 to 717 MPa) and R p0.2 (from 439 to 649 MPa) as well as the hardness HB (from 166 to 230 MPa) falls due to the spinodal segregation of the structure ) is most evident in alloy R. However, the structure of the aged states of alloy R is very uneven with a grain size between 5 and 30 µm. In addition, the structure of the aged states of the reference material R is characterized by discontinuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn (in 1 and 2 denoted by 1). The structure of the further processed state of the reference material R also contains Ni phosphides (in 1 and 2 labeled 2).

Das Gefüge der ausgelagerten Bänder des Ausführungsbeispiels A der Erfindung ist dagegen mit einer Korngröße von 2 bis 8 µm sehr gleichmäßig. Außerdem fehlen in der Struktur des Ausführungsbeispiels A die diskontinuierlichen Ausscheidungen sogar nach einer dreistündigen Auslagerung bei 450°C mit anschließender Luftabkühlung. Im Gefüge sind dagegen die Hartpartikel zweiter Klasse nachweisbar. Diese Phasen sind in Fig. 5 und Fig. 6 mit 3 bezeichnet.In contrast, the structure of the aged strips of embodiment A of the invention is very uniform with a grain size of 2 to 8 μm. In addition, the structure of Example A lacks the discontinuous precipitates even after aging at 450°C for 3 hours followed by air cooling. In contrast, second-class hard particles can be detected in the structure. These phases are in 5 and 6 marked with 3.

Des Weiteren haben sich im Gefüge der weiterverarbeiteten Legierung A weitere Phasen ausgeschieden. Dazu zählen die in Fig. 5 mit 4 bezeichneten kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn sowie die Hartpartikel dritter Klasse. Für das weiterverarbeitete Ausführungsbeispiel A der Erfindung beträgt die Größe der Hartpartikel dritter Klasse nach einer Auslagerung bei 450°C sogar weniger als 1 µm (in Fig. 6 mit 5 bezeichnet).Furthermore, further phases have separated out in the structure of the further processed Alloy A. These include the in figure 5 continuous precipitates of the system (Cu,Ni)-Sn denoted by 4 and the hard particles of the third class. For the further processed exemplary embodiment A of the invention, the size of the third-class hard particles after aging at 450° C. is even less than 1 μm (in 6 marked 5).

Die Festigkeiten Rm und Rp0,2 der Bänder der Legierung A nehmen nach der Auslagerung bei 400°C/3h/Luft infolge der spinodalen Entmischung des Gefüges die Werte von 690 und 618 MPa an. Damit liegen Rm und Rp0,2 niedriger als die Kennwerte des entsprechend ausgelagerten Zustandes der Legierung R. Dies liegt darin begründet, dass in dem Ausführungsbeispiel A der Ni-Gehalt, der in den Hartpartikeln gebunden ist, für die festigkeitssteigernde spinodale Entmischung des Gefüges fehlt. Sollte im Bedarfsfall das Festigkeitsniveau von R gefordert sein, so ist es möglich, der erfindungsgemäßen Legierung einen höheren Anteil des Legierungselementes Nickel zuzusetzen. Tabelle 6: Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der kaltgewalzten und ausgelagerten Bänder der Legierungen A und R nach Durchlaufen des Fertigungsprogrammes 2 (Tabelle 5)

Figure imgb0003
= ungleichmäßig Leg. Auslagerung [°C/ h] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [%IACS] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] E [GPa] Härte HBW 1/30 A - - 11,6 556 498 25,1 113 188 400°C/3h 2-8 15,1 690 618 21,4 132 222 450°C/3h 2-8 16,8 666 534 22,1 126 211 500°C/3h 2-8 16,7 614 444 24,4 124 190 R - - 11,2 498 439 27,9 104 166 400°C/3h
Figure imgb0003
5-30
15,2 717 649 17,8 132 230
450°C/3h
Figure imgb0003
5-30
17,0 705 591 20,6 121 219
500°C/3h
Figure imgb0003
5-20
18,6 628 420 24,6 118 190
After aging at 400°C/3h/air, the strengths R m and R p0.2 of the strips of alloy A assume the values of 690 and 618 MPa as a result of the spinodal segregation of the structure. R m and R p0.2 are therefore lower than the characteristic values of the correspondingly aged state of alloy R. This is due to the fact that in exemplary embodiment A the Ni content, which is bound in the hard particles, is responsible for the strength-increasing spinodal segregation of the structure is missing. If the strength level of R is required, it is possible to add a higher proportion of the alloying element nickel to the alloy according to the invention. <b><u>Table 6:</u></b> Grain size, electrical conductivity and mechanical characteristics of the cold-rolled and aged strips of alloys A and R after running through production program 2 (Table 5)
Figure imgb0003
= uneven
legs Aging [°C/h] grain size [µm] Electrical conductivity [%IACS] R m [MPa] R p0.2 [MPa] A [%] E [GPa] Hardness HBW 1/30
A - - 11.6 556 498 25.1 113 188 400°C/3h 2-8 15.1 690 618 21:4 132 222 450°C/3h 2-8 16.8 666 534 22:1 126 211 500°C/3h 2-8 16.7 614 444 24.4 124 190 R - - 11.2 498 439 27.9 104 166 400°C/3h
Figure imgb0003
5-30
15.2 717 649 17.8 132 230
450°C/3h
Figure imgb0003
5-30
17.0 705 591 20.6 121 219
500°C/3h
Figure imgb0003
5-20
18.6 628 420 24.6 118 190

Der nächste Schritt beinhaltete die Erprobung der Warmumformbarkeit des Stranggusses der Legierungen A und R. Dazu erfolgte das Warmwalzen der Gussplatten bei der Temperatur von 720°C (Tab. 7). Für die weiteren Prozessschritte der Kaltumformung und Zwischenglühung wurden die Parameter des Fertigungsprogrammes 2 übernommen. Tabelle 7: Fertigungsprogramm 3 von Bändern aus den Strangguss-Platten des Ausführungsbeispiels A und des Referenzwerkstoffes R Nr. Fertigungsschritte 1 Strangguss Platten der Legierungen A und R 2 Leg. A, R: Warmwalzen bei 720°C + Wasserabschrecken 3 Kaltwalzen Leg. A: von 9 an 6 mm (ε= 33 %, ϕ= 0,4) 4 Glühen Leg. A: 690°C/2h + Wasserabschreckung 5 Kaltwalzen Leg. A: von 6 an 3,5 mm (ε= 42 %, ϕ= 0,5) 6 Glühen Leg. A: 690°C/1h + Wasserabschreckung 7 Kaltwalzen Leg. A: von 3,5 an 3,0 mm (ε= 14 %, ϕ= 0,15) 8 Auslagerung Leg. A: 400°C/3h, 450°C/3h + Luftabkühlung The next step included testing the hot formability of the continuously cast alloys A and R. For this purpose, the cast plates were hot rolled at a temperature of 720°C (Table 7). The parameters of production program 2 were adopted for the further process steps of cold forming and intermediate annealing. <b><u>Table 7:</u></b> Production program 3 of strips from the continuously cast plates of example A and the reference material R No. manufacturing steps 1 Continuous cast plates of alloys A and R 2 legs A, R: Hot rolling at 720°C + water quenching 3 cold rolling alloy A: from 9 to 6 mm (ε= 33%, ϕ= 0.4) 4 glow leg A: 690°C/2h + water quench 5 cold rolling alloy A: from 6 to 3.5 mm (ε= 42%, ϕ= 0.5) 6 glow leg A: 690°C/1h + water quench 7 cold rolling alloy A: from 3.5 to 3.0 mm (ε= 14%, ϕ= 0.15) 8th Outsourcing Leg. A: 400°C/3h, 450°C/3h + air cooling

Während des Warmwalzens der Gussplatten der Referenzlegierung R bildeten sich schon nach wenigen Stichen tiefe Warmrisse, die zum Versagen der Platten durch Bruch führten.During the hot rolling of the cast plates of the reference alloy R, deep hot cracks formed after just a few passes, which led to the plates failing due to fracture.

Dagegen konnten die Gussplatten des Ausführungsbeispiels A der Erfindung schädigungsfrei warmgewalzt und nach mehreren Kaltwalz- und Glühprozessen an die Enddicke von 3,0 mm gefertigt werden. Die Eigenschaften der ausgelagerten Bänder (Tab. 8) entsprechen weitgehend denen der Bänder, die ohne eine Warmumformung mit dem Fertigungsprogramm 2 hergestellt wurden (Tab. 6).In contrast, the cast plates of embodiment A of the invention could be hot-rolled without damage and, after several cold-rolling and annealing processes, could be manufactured to the final thickness of 3.0 mm. The properties of the outsourced strips (Tab. 8) largely correspond to those of the strips that were produced without hot forming using production program 2 (Tab. 6).

Ebenso vergleichbar ist auch das Gefüge der Bänder aus dem Ausführungsbeispiel A der erfindungsgemäßen Legierung, die ohne und mit einem Warmumformschritt gefertigt wurden. So geht aus Fig. 7 und Fig. 8 die gleichmäßige Struktur der Bänder aus dem Ausführungsbeispiel A hervor, die mit einer Warmumformstufe und einer abschließenden Auslagerung bei 400°C/3h/ Luftabkühlung hergestellt wurden. In Fig. 7 und Fig. 8 sind wiederum die mit 3 bezeichneten Hartpartikel zweiter Klasse ersichtlich.The microstructure of the strips from embodiment A of the alloy according to the invention, which were produced with and without a hot forming step, is also comparable. That's how it goes 7 and 8 the uniform structure of the strips from example A emerges, which were produced with a hot forming stage and a final aging at 400° C./3 h/air cooling. In 7 and 8 the hard particles of the second class, labeled 3, can again be seen.

Weiterhin gehen aus Fig. 7 die mit 4 bezeichneten kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn sowie die Hartpartikel dritter Klasse hervor. Im Gefüge der weiterverarbeiteten Variante des Ausführungsbeispiels A nehmen die Hartpartikel dritter Klasse sogar eine Größe von kleiner 1 µm an (mit 5 in Fig. 8 bezeichnet).Continue going out 7 the continuous precipitations of the system (Cu,Ni)-Sn, denoted by 4, as well as the hard particles of the third class. In the structure of the further processed variant of example A, the hard particles of the third class even assume a size of less than 1 µm (with 5 in 8 designated).

Die Analyse der Hartpartikel zweiter und dritter Klasse in diesem weiterverarbeiteten Zustand des Ausführungsbeispiels A ergab Hinweise auf die Verbindung SiB6 als Vertreter der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, auf Ni6Si2B als Vertreter der Ni-Si-Boride, auf Ni3B als Vertreter der Ni-Boride, auf FeB als Vertreter der Fe-Boride, auf Ni3P als Vertreter der Ni-Phosphide, auf Fe2P als Vertreter der Fe-Phosphide, auf Ni2Si als Vertreter der Ni-Silizide und auf Fe-reiche Teilchen, die einzeln und als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen im Gefüge vorliegen. Zusätzlich sind diese Hartpartikel von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt. Tabelle 8: Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der kaltgewalzten und ausgelagerten Bänder des Ausführungsbeispiels A nach Durchlaufen des Fertigungsprogrammes 3 (Tabelle 7) Leg. Auslagerung [°C/h] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [%IACS] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] E [GPa] Härte HBW 1/30 A - - 11,8 554 501 23,8 110 185 400°C/3h 3-10 15,3 679 610 21,0 127 217 450°C/3h 3-10 16,8 658 535 20,8 126 205 The analysis of the hard particles of the second and third class in this further processed state of example A gave indications of the compound SiB 6 as a representative of the Si-containing and B-containing phases, of Ni 6 Si 2 B as a representative of the Ni-Si borides Ni 3 B as a representative of Ni borides, on FeB as a representative of Fe borides, on Ni 3 P as a representative of Ni phosphides, on Fe 2 P as a representative of Fe phosphides, on Ni 2 Si as a representative of Ni Silicides and Fe-rich particles that are present individually and as addition compounds and/or mixed compounds in the structure. In addition, these hard particles are coated with precipitates of the (Cu, Ni)-Sn system. <b><u>Table 8:</u></b> Grain size, electrical conductivity and mechanical characteristics of the cold-rolled and aged strips of example A after running through production program 3 (table 7) legs Aging [°C/h] grain size [µm] Electrical conductivity [%IACS] Rm [MPa] R p0.2 [MPa] A [%] E [GPa] Hardness HBW 1/30 A - - 11.8 554 501 23.8 110 185 400°C/3h 3-10 15.3 679 610 21.0 127 217 450°C/3h 3-10 16.8 658 535 20.8 126 205

Die anschließende Versuchsetappe beinhaltete die Erprobung des Warmumformverhaltens des Ausführungsbeispiels A der Erfindung bei der höheren Warmwalztemperatur von 780°C. Außerdem bestand das Ziel, die Anzahl der Kaltwalz-/Glüh-Zyklen des Fertigungsprogrammes 3 zu verringern. Mit dieser Maßnahme wurde die Untersuchung der Kaltumformbarkeit des warmgewalzten Bandzustandes der Legierung A möglich. Die einzelnen Prozessschritte des Fertigungsprogrammes 4 gehen aus der Tab. 9 hervor. Tabelle 9: Fertigungsprogramm 4 von Bändern aus den Strangguss-Platten des Ausführungsbeispiels A Nr. Fertigungsschritte 1 Strangguss Platten der Legierung A 2 Leg. A: Warmwalzen bei 780°C + Wasserabschrecken 3 Kaltwalzen Leg. A: von 9 an 1,4 mm (ε= 84 %, ϕ= 1,9) 4 Glühen Leq. A: 690°C/1h + Wasserabschreckung 5 Kaltwalzen Leq. A: von 1,4 an 1,2 mm (ε= 14 %, ϕ= 0,15) 6 Auslagerung: 350°C/3h, 400°C/3h, 450°C/3h, 500°C/3h + Luftabkühlung The subsequent experimental stage included testing the hot forming behavior of embodiment A of the invention at the higher hot rolling temperature of 780°C. The aim was also to reduce the number of cold rolling/annealing cycles in production program 3. This measure made it possible to investigate the cold formability of the hot-rolled strip condition of alloy A. The individual process steps of production program 4 are shown in Table 9. <b><u>Table 9:</u></b> Production program 4 of strips from the continuously cast plates of example A No. manufacturing steps 1 Alloy A continuous cast slabs 2 legs A: Hot rolling at 780°C + water quenching 3 cold rolling alloy A: from 9 to 1.4 mm (ε= 84%, ϕ= 1.9) 4 Glow Leq. A: 690°C/1h + water quench 5 cold rolling Leq. A: from 1.4 to 1.2 mm (ε= 14%, ϕ= 0.15) 6 Aging: 350°C/3h, 400°C/3h, 450°C/3h, 500°C/3h + air cooling

Auch bei der höheren Warmwalztemperatur zeigten die Stranggussplatten der Legierung A eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit. Die warmgewalzten Platten konnten zudem mit einem äußerst hohen Kaltumformgrad ε von 84 % problemlos kaltgewalzt werden. Um das Auslagerungsergebnis mit dem Resultat des vorangegangenen Fertigungsprogrammes 3 vergleichbar gestalten zu können, erfolgte der letzte Kaltwalzschritt nach einer Rekristallisationsglühung bei 690°C mit dem gleichen Kaltumformgrad ε von 14 %.Even at the higher hot rolling temperature, Alloy A continuously cast slabs showed excellent hot formability. The hot-rolled plates could also be cold-rolled without any problems with an extremely high cold-forming degree ε of 84%. In order to make the outsourcing result comparable with the result of the previous production program 3 can, the last cold rolling step took place after recrystallization annealing at 690°C with the same degree of cold deformation ε of 14%.

Nach der Auslagerung der Bänder in dem Temperaturbereich von 350 bis 500°C beträgt die Korngröße des sehr gleichmäßigen Gefüges 5 bis 10 µm (Tab. 10). Insbesondere bei der Auslagerungstemperatur von 400°C führt die spinodale Entmischung des Gefüges der erfindungsgemäßen Legierung zu einem ausgeprägten Festigkeits- und Härteanstieg. So nimmt die Zugfestigkeit Rm von 557 MPa im kaltgewalzten Zustand auf 692 MPa im ausgelagerten Zustand zu. Auch die Härte HB steigt von 177 auf 210. Tabelle 10: Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der kaltgewalzten und ausgelagerten Bänder der Legierung A nach Durchlaufen des Fertigungsprogrammes 4 (Tabelle 9) Leg. Auslagerung [°C/h] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [%IACS] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] E [GPa] Härte HBW 1/30 A - - 11,6 557 520 22,2 - 177 350°C/3h 5-10 13,8 674 607 23,3 143 204 400°C/3h 5-10 15,2 692 614 20,1 150 210 450°C/3h 5-10 17,2 659 519 21,9 128 193 500°C/3h 5-10 15,8 598 437 25,0 128 170 After the strips have been aged in the temperature range of 350 to 500°C, the grain size of the very uniform structure is 5 to 10 µm (Table 10). In particular at the aging temperature of 400° C., the spinodal segregation of the structure of the alloy according to the invention leads to a pronounced increase in strength and hardness. The tensile strength R m increases from 557 MPa in the cold-rolled condition to 692 MPa in the aged condition. The HB hardness also increases from 177 to 210. <b><u>Table 10:</u></b> Grain size, electrical conductivity and mechanical characteristics of the cold-rolled and aged strips of Alloy A after running through production program 4 (Table 9) legs Aging [°C/h] grain size [µm] Electrical conductivity [%IACS] R m [MPa] R p0.2 [MPa] A [%] E [GPa] Hardness HBW 1/30 A - - 11.6 557 520 22.2 - 177 350°C/3h 5-10 13.8 674 607 23.3 143 204 400°C/3h 5-10 15.2 692 614 20.1 150 210 450°C/3h 5-10 17.2 659 519 21:9 128 193 500°C/3h 5-10 15.8 598 437 25.0 128 170

Im Anlagen-, Geräte-, Motoren- und Maschinenbau werden für zahlreiche Anwendungen Bauelemente mit größeren Abmessungen benötigt. Beispielsweise ist dies auf dem Gebiet der Gleitlager oft der Fall. Die Herstellung der entsprechenden Bauteile erfordert ein Vormaterial entsprechend großer Formate. Aufgrund der begrenzten Herstellbarkeit beliebig großer Gussteile besteht daher die Notwendigkeit, die geforderten Materialeigenschaften möglichst auch mittels kleiner Kaltumformgrade einzustellen.In plant, device, engine and mechanical engineering, components with larger dimensions are required for numerous applications. For example, this is often the case in the field of plain bearings. The production of the corresponding components requires a starting material of correspondingly large formats. Due to the limited manufacturability of castings of any size, there is therefore a need to adjust the required material properties as far as possible by means of small degrees of cold forming.

In der Tab. 11 sind die im Rahmen des Fertigungsprogrammes 5 verwendeten Prozessschritte aufgelistet. Die Fertigung erfolgte mit einem Zyklus aus Kaltumformungen und Glühungen. Wiederum wurden nur die Gussplatten der Legierung A vor dem ersten Kaltwalzen bei 740°C geglüht.Table 11 shows the ones used in production program 5 Process steps listed. The production was carried out with a cycle of cold forming and annealing. Again, only the Alloy A cast slabs were annealed at 740°C prior to the first cold rolling.

Das erste Kaltwalzen der Gussplatte der Legierung R und der geglühten Gussplatte der Legierung A wurde mit einer Umformung ε von 16 % realisiert. Nach einer Glühung bei 690°C erfolgte ein Kaltwalzen mit ε von 12 %. Abschließend fand eine Auslagerung der Bänder bei den Temperaturen von 350, 400 und 450°C statt. Tabelle 11: Fertigungsprogramm 5 von Bändern aus den Strangguss-Platten des Ausführungsbeispiels A und des Referenzwerkstoffes R Nr. Fertigungsschritte 1 Strangguss Platten der Legierungen A und R 2 Glühen der Gussplatten der Leg. A: 740°C/2h+Wasserabschreckung 3 Kaltwalzen Leg. A, R: von 9 an 7,6 mm (ε= 16 %, ϕ= 0,17) 4 Glühen Leg. A, R: 690°C/2h + Wasserabschreckung 5 Kaltwalzen Leg. A, R: von 7,6 an 6,7 mm (ε= 12 %, ϕ= 0,126) 6 Auslagerung: 350°C/3h, 400°C/3h, 450°C/3h + Luftabkühlung The first cold rolling of the Alloy R cast slab and the annealed Alloy A cast slab was carried out with a deformation ε of 16%. After annealing at 690° C., cold rolling took place with ε of 12%. Finally, the strips were aged at temperatures of 350, 400 and 450°C. <b><u>Table 11:</u></b> Production program 5 of strips from the continuously cast slabs of the exemplary embodiment A and the reference material R No. manufacturing steps 1 Continuous cast plates of alloys A and R 2 Annealing of the cast plates of the Leg. A: 740°C/2h+water quench 3 cold rolling alloy A, R: from 9 to 7.6 mm (ε= 16%, ϕ= 0.17) 4 glow leg A, R: 690°C/2h + water quench 5 cold rolling alloy A, R: from 7.6 to 6.7 mm (ε= 12%, ϕ= 0.126) 6 Aging: 350°C/3h, 400°C/3h, 450°C/3h + air cooling

Die geringe Kaltumformung des ersten Kaltwalzschrittes von ε= 16 % genügte nicht, um zusammen mit der nachfolgenden Glühung bei 690°C das dendritische und grobkörnige Gefüge des Referenzwerkstoffes R zu beseitigen. Zudem verstärkte sich durch diese thermomechanische Behandlung die Belegung der Korngrenzen der Legierung R mit Sn-reichen Seigerungen.The low cold forming of the first cold rolling step of ε= 16% was not enough to eliminate the dendritic and coarse-grained structure of the reference material R together with the subsequent annealing at 690°C. In addition, this thermomechanical treatment increased the coverage of the grain boundaries of alloy R with Sn-rich segregations.

Entlang der dendritischen Struktur sowie entlang der mit Sn-reichen Seigerungen belegten Korngrenzen von R bildeten sich während des zweiten Kaltwalzschrittes Risse, die von der Oberfläche tief ins Bandinnere verlaufen.During the second cold rolling step, cracks developed along the dendritic structure and along the grain boundaries of R, which are covered with Sn-rich segregations. These cracks run from the surface deep into the interior of the strip.

Das rissfreie und gleichmäßige Gefüge der Bänder des Ausführungsbeispiels A ist von der Anordnung der Hartpartikel zweiter und dritter Klasse gekennzeichnet. Wie schon nach den vorangegangenen Fertigungsprogrammen, so weisen die Hartpartikel dritter Klasse auch nach diesem Fertigungsprogramm 5 eine Größe von kleiner 1 µm auf.The crack-free and uniform structure of the belts of example A is characterized by the arrangement of the hard particles of the second and third class. As with the previous production programs, the hard particles of the third class also have a size of less than 1 μm after this production program 5.

Die resultierenden Eigenschaften der Bänder nach dem letzten Kaltwalzen und nach dem Auslagern sind in der Tab. 12 dargestellt. Infolge der hohen Dichte von Rissen war es nicht möglich, schädigungsfreie Zugproben von den Bändern des Werkstoffes R zu entnehmen. Somit konnten lediglich die metallographische Untersuchung und die Härtemessung an diesen Bändern vorgenommen werden.The resulting strip properties after the last cold rolling and after aging are shown in Table 12. Due to the high density of cracks, it was not possible to take damage-free tensile specimens from the ribbons of material R. Thus, only the metallographic examination and the hardness measurement could be carried out on these strips.

Das Ausführungsbeispiel A weist ein hohes Maß an Auslagerungsfähigkeit auf, die sich durch ein Zusammenwirken der Mechanismen der Ausscheidungshärtung und der spinodalen Entmischung des Gefüges äußert. So steigen die Kennwerte Rm und Rp0,2 durch eine Auslagerung bei 400°C von 518 auf 633 und von 451 auf 575 MPa an. Tabelle 12: Korngröße, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der kaltgewalzten und ausgelagerten Bänder der Legierungen A und R nach Durchlaufen des Fertigungsprogrammes 5 (Tabelle 11) ■ = dendritisch, mit Sn-reichen Seigerungen Leg. Auslagerung Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [%IACS] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] E [GPa] Härte HBW 1/30 A - - 11,6 518 451 21,8 124 188 350°C/3h 20 13,4 610 530 23,5 130 212 400°C/3h 20-25 14,4 633 575 19,1 116 217 450°C/3h 20-25 16,0 630 496 17,4 108 204 R - ■ - Aufgrund von Rissbildungen nicht möglich ! 175 350°C/3h ■ - 242 400°C/3h ■ - 229 450°C/3h ■ - 217 Exemplary embodiment A has a high degree of aging ability, which is expressed by interaction of the mechanisms of precipitation hardening and spinodal segregation of the structure. For example, the characteristic values R m and R p0.2 increase from 518 to 633 and from 451 to 575 MPa as a result of aging at 400°C. <b><u>Table 12:</u></b> Grain size, electrical conductivity and mechanical characteristics of the cold-rolled and aged strips of alloys A and R after running through production program 5 (table 11) ■ = dendritic, with Sn-rich segregations legs outsourcing grain size [µm] Electrical conductivity [%IACS] Rm [MPa] R p0.2 [MPa] A [%] E [GPa] Hardness HBW 1/30 A - - 11.6 518 451 21:8 124 188 350°C/3h 20 13.4 610 530 23.5 130 212 400°C/3h 20-25 14.4 633 575 19.1 116 217 450°C/3h 20-25 16.0 630 496 17.4 108 204 R - ■ - Not possible due to crack formation! 175 350°C/3h ■ - 242 400°C/3h ■ - 229 450°C/3h ■ - 217

Resultierend kann ausgeführt werden, dass mittels einer Variation der chemischen Zusammensetzung, der Umformgrade für die Kaltumformung (-en) sowie mittels einer Variation der Auslagerungsbedingungen der Grad der Ausscheidungshärtung und der Grad der spinodalen Entmischung des Gefüges der Erfindung an die geforderten Materialeigenschaften angepasst werden kann. Auf diesem Wege ist es möglich, insbesondere die Festigkeit, Härte, Duktilität sowie die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gezielt auf das vorgesehene Einsatzgebiet auszurichten.As a result, it can be stated that the degree of precipitation hardening and the degree of spinodal segregation of the structure of the invention can be adapted to the required material properties by varying the chemical composition, the degree of deformation for the cold forming(s) and by varying the aging conditions. In this way, it is possible to tailor the strength, hardness, ductility and electrical conductivity of the alloy according to the invention to the intended area of use.

BezugszeichenlisteReference List

11
Diskontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-SnDiscontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system
22
Ni-PhosphideNi phosphides
33
Hartpartikel zweiter KlasseSecond class hard particles
44
Kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn sowie Hartpartikel dritter KlasseContinuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn as well as third-class hard particles
55
Hartpartikel dritter KlasseThird class hard particles

Claims (18)

  1. High-strength copper/nickel/tin alloy in the as-cast state having excellent castability, hot-formability and cold-formability, high resistance against abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance, comprising (in % by weight):
    from 2.0 to 10.0% Ni,
    from 2.0 to 10.0% Sn,
    from 0.01 to 1.5% Si,
    from 0.01 to 1.0% Fe,
    from 0.002 to 0.45% B,
    from 0.001 to 0.15% P,
    optionally also up to a maximum of 2.0% Co,
    optionally also up to a maximum of 2.0% Zn,
    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 in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
    - in that after the casting the following structural components are present in the alloy:
    a) an Si-containing and P-containing metal matrix having, relative to the overall structure,
    a1) up to 30% by volume of first phase components which with the molecular formula CuhNikSnm have a ratio (h+k)/m of the element contents in atom. % of from 2 to 6,
    a2) up to 20% by volume of second phase components which with the molecular formula CupNirSns have a ratio (p+r)/s of the element contents in atom. % of from 10 to 15, and
    a3) with a balance of mixed copper crystal;
    b) phases which are contained in the structure relative to the overall structure,
    b1) at from 0.01 to 10% by volume as Si-containing and B-containing phases which are formed as silicon borides and as boron silicates and/or as boron phosphorus silicates,
    b2) at from 1 to 15% by volume as Ni/Si borides with the molecular formula NixSi2B with x = 4 to 6,
    b3) at from 1 to 15% by volume as Ni borides,
    b4) at from 0.1 to 5% by volume as Fe borides,
    b5) at from 1 to 5% by volume as Ni phosphides,
    b6) at from 0.1 to 5% by volume as Fe phosphides,
    b7) at from 1 to 5% by volume as Ni silicides,
    b8) at from 0.1 to 5% by volume as Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds and which are surrounded by tin and/or the first phase components and/or
    the second phase components;
    - in that during casting the Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides, the Ni-Si borides, the Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds constitute germs for a uniform crystallisation during the solidification/cooling of the melt so that the first phase components and/or the second phase components are uniformly distributed in an island-like and/or network-like manner in the structure;
    - in that the Si-containing and B-containing phases which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates together with the phosphorus silicates act as a wear-prevention and corrosion-prevention coating on the semifinished products and components of the alloy.
  2. High-strength copper/nickel/tin alloy after annealing or after hot-forming and/or cold-forming in addition to annealing with excellent castability, hot-formability and cold-formability, high resistance against abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance, comprising (in % by weight):
    from 2.0 to 10.0% Ni,
    from 2.0 to 10.0% Sn,
    from 0.01 to 1.5% Si,
    from 0.01 to 1.0% Fe,
    from 0.002 to 0.45% B,
    from 0.001 to 0.15% P,
    optionally also up to a maximum of 2.0% Co,
    optionally also up to a maximum of 2.0% Zn,
    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 in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
    - 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 in addition to at least one annealing operation, the following structural components are present:
    A) a metal matrix having, relative to the overall structure,
    A1) up to 15% by volume of first phase components which with the molecular formula CuhNikSnm have a ratio (h+k)/m of the element contents in atom. % of from 2 to 6,
    A2) up to 10% by volume of second phase components which with the molecular formula CupNirSns have a ratio (p+r)/s of the element contents in atom. % of from 10 to 15, and
    A3) a balance of mixed copper crystal;
    B) phases which, relative to the overall structure, are contained in the structure
    B1) at from 2 to 35% by volume as Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides and boron silicates and/or boron phosphorus silicates, Ni-Si borides with the molecular formula NixSi2B with x = 4 to 6,
    Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and as Fe silicides and/or Fe-rich particles, which are present individually and/or as addition compounds and/or
    mixed compounds and are coated with precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn,
    B2) at up to 80% by volume as continuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn,
    B3) are contained in the structure at from 2 to 35% by volume as Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and as Fe silicides and/or Fe-rich particles which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, are coated with precipitations of the system (Cu,
    Ni)-Sn and have a size of less than 3 µm;
    - in that the Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides, the Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Ni silicides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds constitute germs for a static and dynamic recrystallisation of the structure during the further processing of the alloy, whereby a uniform and fine-grained structure is produced;
    - in that the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates together with the phosphorus silicates act as a wear-prevention and corrosion-prevention coating on the semifinished products and components of the alloy.
  3. Copper/nickel/tin alloy according to claim 1 or 2, characterised in that the elements nickel and tin are each contained at from 3.0 to 9.0%.
  4. Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the element silicon is contained at from 0.05 to 0.9%.
  5. Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the element iron is contained at from 0.02 to 0.6%.
  6. Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the element boron is contained at from 0.01 to 0.4%.
  7. Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the element phosphorus is contained at from 0.01 to 0.15%.
  8. Copper/nickel/tin 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.
  9. Method for producing end products or components with a form close to the end product from a copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 using the sand casting method, shell mould casting method, precision casting method, full mould casting method, die-casting method or lost-foam method.
  10. Method for producing strips, metal sheets, plates, bolts, round wires, profiled wires, round rods, profiled rods, hollow rods, pipes and profiles from a copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8, using the chilled mould casting method or the continuous or semi-continuous strand casting method.
  11. Method according to claim 10, characterised in that the further processing of the casting state involves carrying out at least one hot-forming operation in the temperature range from 600 to 880°C.
  12. 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 170 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
  13. Method according to any one of claims 10 to 12, characterised in that the further processing of the as-cast state or the hot-formed state or the annealed as-cast state or the annealed hot-formed state involves carrying out at least one cold-forming operation.
  14. Method according to claim 13, characterised in that at least one annealing processing operation is carried out in the temperature range from 170 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
  15. Method according to either claim 13 or claim 14, characterised in that a stress-relieving annealing operation or precipitation annealing operation is carried out in the temperature range from 170 to 550°C with a duration of from 0.5 to 8 hours.
  16. Use of the copper/nickel/zinc alloy according to any one of claims 1 to 8 for gibs or sliding rails, for friction rings or friction plates, for sliding elements or guiding elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, gear mechanisms, exhaust gas post-treatment systems, lever systems, brake systems or joint systems, hydraulic units or in machines or installations of general mechanical engineering.
  17. Use of the copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 for structural elements, conduction elements, guide elements or connection elements in electronics or electrical engineering.
  18. Use of the copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 for metal objects in the breeding of organisms living in seawater, for percussion instruments, for propellors, wings, ship propellors or hubs for ship building, for housings of water pumps, oil pumps or fuel pumps, for guide wheels, impellers or paddle wheels for pumps or water turbines, for gears, worm gears, helical gears, pressure nuts or spindle nuts and for pipes, seals or connection bolts in the maritime or chemical industry.
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