EP4118248A1 - Kupfer-zinn stranggusslegierung - Google Patents

Kupfer-zinn stranggusslegierung

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EP4118248A1
EP4118248A1 EP21707240.4A EP21707240A EP4118248A1 EP 4118248 A1 EP4118248 A1 EP 4118248A1 EP 21707240 A EP21707240 A EP 21707240A EP 4118248 A1 EP4118248 A1 EP 4118248A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
tin
copper
continuously cast
continuous casting
Prior art date
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Pending
Application number
EP21707240.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Abram TAMMEN
Niklas TAMMEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Gleitlager GmbH
Original Assignee
KS Gleitlager GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by KS Gleitlager GmbH filed Critical KS Gleitlager GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a copper-tin
  • Continuous casting alloy which is lead-free and which should be particularly suitable for the production of machine parts or gear parts such as gears, worm wheels, bushings or linear guide elements, or valve parts and should therefore be easy to machine.
  • a lead-free copper-tin-zinc-gunmetal alloy is known from US 2012/0082588 A1, which should have excellent mechanical properties, such as strength and high pressure resistance, and good machinability. It comprises a maximum of 8% by weight tin, 0.1 to 0.7% by weight sulfur and 6 Wt% or less but more than 0 wt% zinc.
  • the exemplary embodiments have a tin content of 1.0 to 5.6% by weight and predominantly between 2.5 and 3.5% by weight.
  • the zinc content is between 1.2 and 7.6% by weight.
  • a zinc content of at least 1% by weight is proposed, since zinc forms zinc sulfide with sulfur, which improves the strength and elongation at break.
  • JP 2006152373 A also describes a lead-free gunmetal alloy for the production of fittings for sanitary piping with a maximum of 10% by weight tin, 0.05-1.5% by weight sulfur, a maximum of 3% by weight nickel and a maximum of 10% by weight. -% zinc and the remainder mainly copper.
  • the preferred zinc content is at least 3.0% by weight.
  • All of the exemplary embodiments have a zinc content of well over 4% by weight. Almost all of the exemplary embodiments have a low tin content of less than 2% by weight tin.
  • One embodiment has a tin content of 2.9% by weight and one of 5.5% by weight and another of 9.5% by weight tin.
  • DE 102013 014 502 A1 relates to a machinable copper alloy with 0.05 to 11% by weight of tin and at least one element from the following group: sulfur 0.1 to 0.80% by weight, manganese 0.01 to 0.80 % By weight, tellurium 0.01 to 1.0% by weight, the above three elements being added to improve machinability.
  • the present invention is based on the object of providing a copper-tin continuous casting alloy of the type mentioned at the outset, which can be produced and cast easily and economically and can be easily machined after casting and has good mechanical strength and load properties.
  • the claimed composition of the continuously cast alloy according to the invention is economical to manufacture and yet good castability.
  • the addition of sulfur not only improves the sulphides that form from it Castability, but also the machinability of the material is improved because the sulfides act as chip breakers during machining.
  • the sulfides that are formed also have a lubricating property and can at least partially replace the same property of the substituted lead.
  • Nickel can also form intermetallic phases with other alloying elements, which serve as nuclei for refining the structure, for example nickel-iron phases.
  • lead-free alloy when a lead-free alloy is mentioned in the present case, this means that lead is not actively added as an alloying element and that a contamination-related residue of lead of at most 0.10% by weight, in particular of at most 0.09% by weight, in particular of at most 0.08% by weight, in particular of at most 0.07, in particular of at most 0.06 and preferably of at most 0.05% by weight.
  • the continuously cast alloy comprises 0.1-0.6, in particular 0.2-0.6, in particular 0.3-0.6% by weight of sulfur.
  • the continuously cast alloy is at least 1.5% by weight, in particular at least 2.0% by weight, and / or in particular comprises a maximum of 2.5% by weight and further in particular a maximum of 2.0% by weight zinc.
  • the continuously cast alloy is at least 1.3% by weight, in particular at least 1.5% by weight, in particular at most 2.5% by weight, in particular at most 2.0% by weight.
  • -% includes nickel.
  • the continuously cast alloy is at most 0.10% by weight, in particular 0.03-0.08% by weight phosphorus, at most 0.20% by weight iron and at most up to 0.30% by weight .-% includes antimony.
  • Phosphorus can prove to be advantageous within the claimed continuously cast alloy because it can cause deoxidation of the melt, while hydrogen can be effectively driven off by the tin.
  • Iron can form advantageous phases with nickel, but on the other hand it proves to be problematic in terms of casting at quantities above 0.2 percent by weight. Antimony settles on the grain boundaries and thereby embrittles the material.
  • a preferred composition of the continuously cast alloy comprises, in addition to the alloy components according to claim 1, at most 0.10 wt.% Phosphorus, at most 0.20 wt.% Iron and at most up to 0.15 wt.% Antimony and the remainder copper and contamination-related Components of less than 0.1% by weight in each case and a total of at most 0.8% by weight, in particular at most 0.5% by weight.
  • the continuously cast alloy is at least 4.5% by weight, in particular at least 5.0% by weight, in particular at least 5.5% by weight and in particular at most 6.5% by weight.
  • % Tin includes.
  • the continuously cast alloy is presented with 4.0-6.5% by weight of tin or, according to another embodiment, with 5.4-8.0% by weight of tin.
  • the present invention relates to a continuously cast alloy of the claimed composition in the molten state.
  • the present invention also relates to a continuously cast alloy of the claimed composition in the cast state.
  • the present invention also relates to a continuously cast blank or a continuously cast intermediate product, in particular in the form of a strand or tube, produced by casting a continuously cast alloy, the continuously cast blank or the continuously cast intermediate product at least 83.0% by weight of copper,
  • the invention also relates to machined machine parts or gear parts, in particular gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide parts, or Machined valve parts for the conduction of fluids produced by machining a continuously cast blank or continuous cast intermediate product of the type claimed here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung, wobei die Stranggusslegierung bleifrei ausgebildet ist, wobei die Stranggusslegierung wenigstens 83,0 Gew.-% Kupfer, 4,0 - 8,0 Gew.-% Zinn, 0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel, 1,1 bis 3,0 Gew.-% Nickel und 1,0 bis 2,8 Gew.-% Zink umfasst, wobei die Summe aus Zinn und Zink 10,0 Gew.-% nicht übersteigt.

Description

Titel : Kupfer-Zinn Stranggusslegierung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn
Stranggusslegierung, die bleifrei ausgebildet ist und die sich insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie Zahnrädern, Schneckenrädern, Laufbuchsen oder Linearführungselementen, oder von Armaturenteilen eignen soll und daher gut spanbar sein soll.
Aus US 2012/0082588 Al ist eine bleifreie Kupfer-Zinn-Zink- Rotgusslegierung bekannt, welche hervorragende mechanische Eigenschaften, wie Festigkeit und Hochdruckbelastbarkeit, und gute Bearbeitbarkeit aufweisen soll. Sie umfasst höchstens 8 Gew.-% Zinn, 0,1 bis 0,7 Gew.-% Schwefel und 6 Gew.-% oder weniger, jedoch mehr als 0 Gew.-% Zink. Die Ausführungsbeispiele haben einen Zinngehalt von 1,0 bis 5,6 Gew.-% und überwiegend zwischen 2,5 und 3,5 Gew.-%. Der Zinkgehalt liegt zwischen 1,2 und 7,6 Gew.-%. Es wird ein Zinkgehalt von wenigstens 1 Gew.-% vorgeschlagen, da Zink mit Schwefel Zinksulfid bilde, was die Festigkeit und Bruchdehnung verbessere.
JP 2006152373 A beschreibt ebenfalls eine bleifreie Rotgusslegierung für die Herstellung von Armaturen für die Sanitärverrrohrung mit höchstens 10 Gew.-% Zinn, 0,05 - 1,5 Gew.-% Schwefel, höchstens 3 Gew.-% Nickel und höchstens 10 Gew.-% Zink und Rest hauptsächlich Kupfer. Der bevorzugte Zinkgehalt beträgt wenigstens 3,0 Gew.-%. Alle Ausführungsbeispiele haben einen Zinkgehalt von deutlich über 4 Gew.-%. Fast alle Ausführungsbeispiele haben einen geringen Zinngehalt von unter 2 Gew.-% Zinn. Ein Ausführungsbeispiel hat einen Zinngehalt von 2,9 Gew.-% und eines von 5,5 Gew.-% und ein weiteres von 9,5 Gew.-% Zinn.
DE 102013 014 502 Al betrifft eine zerspanbare Kupferlegierung mit 0,05 bis 11 Gew.-% Zinn und wenigstens einem Element aus der nachfolgenden Gruppe: Schwefel 0,1 bis 0,80 Gew.-%, Mangan 0,01 bis 0,80 Gew.-%, Tellur 0,01 bis 1,0 Gew.-%, wobei die vorstehenden drei Elemente für die Verbesserung der Zerspanbarkeit zugesetzt werden.
DE 202007 019 373 Ul offenbart eine Kupfer-Zinn-Bronze Stranggusslegierung mit 11 bis 13 Gew.-% Zinn. Die Druckschrift lehrt als Obergrenze für Schwefel 0,05 Gew.-%, was in Verbindung mit weiteren Obergrenzen für Antimon und Zink dafür Sorge trage, dass verbesserte
Verschleißeigenschaften nicht wieder verschlechtert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Zinn Stranggusslegierung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich gut und auf wirtschaftliche Weise hersteilen und vergießen lässt und nach dem Guss gut spanbar ist und gute mechanische Festigkeits- und Belastungseigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit der vorliegenden Erfindung, welche bei Kupfer-Zinn- Bronze Stranggusslegierungen mit höheren Zinngehalten ihren Ausgangspunkt hat, wurde festgestellt, dass eine Reduzierung des Zinngehalts in den eingangs gegebenen Bereich und die teilweise Substituierung von Zinn durch Zink gießtechnische Probleme mit sich bringt. Es bildet sich ein dendritisches Gefüge, welches sich im Gießvorgang schwer speisen lässt aufgrund des großen
Temperaturintervalls zwischen Solidus- und Liquidus-Kurve des Systems. Im Ergebnis bilden sich zwischen den dendritisch aufwachsenden Primärkörnern Hohlräume, nämlich sogenannte Mikrolunker, welche eine Undichtigkeit des Gussstücks und hieraus hergestellter Produkte nach sich ziehen können. Es wurde nun erfindungsgemäß festgestellt, dass die Zugabe von Schwefel im beanspruchten Bereich hier Abhilfe schaffen kann. Es wird davon ausgegangen, dass Schwefel mit Kupfer bzw. Zink Kupfersulfid und Zinksulfid bildet. Ferner wurde festgestellt, dass sich Kupfersulfid und Zinksulfid in den vorgenannten Mikrolunkern ansammelt und diese Hohlräume dadurch dichtend auffüllen. Hierdurch kann das Problem des schlechten Speisungsverhaltens und der hierdurch bedingten Undichtigkeit bei dieser Legierung in zufriedenstellender Weise gelöst werden. Allerdings wird hierdurch ein weiterer Zielkonflikt geschaffen, da sich Zinksulfid wiederum festigkeitsverringernd auswirken kann, indem es sich nicht globulitisch sondern eher spratzig ausscheidet. Weiterhin erhöht Zinksulfid infolge der höheren Härte den Werkzeugverschleiß bei spanabhebender Bearbeitung. Die Erfinder haben sich jedoch dazu entschieden, diese Festigkeitsverringerung in Kauf zu nehmen. Es zeigte sich nämlich, dass dieser Festigkeitsverringerung wiederum entgegengewirkt werden kann, indem der Nickelgehalt in den beanspruchten Bereich angehoben wird. Hierdurch kann die Zugfestigkeit, die Härte und die Kerbschlagzähigkeit, welche durch anteilige Bildung von Zinksulfid herabgesetzt wurde, wieder angehoben wurde, so dass der nachteilige Effekt des Zinksulfids zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden konnte.
Insgesamt ergibt sich so bei der beanspruchten erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Stranggusslegierung eine wirtschaftliche Herstellbarkeit und dennoch gute Gießbarkeit. Die Zugabe von Schwefel bewirkt mit den sich hieraus bildenden Sulfiden nicht nur eine Verbesserung der Gießbarkeit, sondern es wird auch die Spanbarkeit des Werkstoffs verbessert, indem sich die Sulfide als Spanbrecher während der Bearbeitung auswirken. Die sich bildenden Sulfide haben zudem auch eine schmierende Eigenschaft und können insoweit dieselbe Eigenschaft des substituierten Bleis zumindest teilweise ersetzen.
Durch den beanspruchten Nickelgehalt wird das entstehende Gitter neben der Mischkristallverfestigung durch Zinn weiter verspannt. Nickel kann auch mit weiteren Legierungselementen intermetallische Phasen bilden, die als Keime zur Gefügefeinung dienen, beispielsweise Nickel- Eisen-Phasen.
Wenn vorliegend von einer bleifreien Legierung die Rede ist, so bedeutet dies, dass Blei nicht aktiv als Legierungselement zugegeben ist und dass ein verunreinigungsbedingter Rest an Blei von höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,09 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,08 Gew.-%, insbesondere von höchstens 0,07, insbesondere von höchstens 0,06 und vorzugsweise von höchstens 0,05 Gew.-% vorhanden ist.
Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung 0,1 - 0,6, insbesondere 0,2 - 0,6, insbesondere 0,3 - 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.
Im Hinblick auf den Zinkgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 1,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 2,0 Gew.-%, und/oder insbesondere höchstens 2,5 Gew.-% und weiter insbesondere höchstens 2,0 Gew.-% Zink umfasst.
Im Hinblick auf den Nickelgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 1,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,0 Gew.-% Nickel umfasst.
Gießtechnisch erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens bis 0,30 Gew.-% Antimon umfasst. Phosphor kann sich innerhalb der beanspruchten Stranggusslegierung als vorteilhaft erweisen, weil es eine Desoxidation der Schmelze bewirken kann, während Wasserstoff durch das Zinn wirksam ausgetrieben werden kann. Eisen kann, mit Nickel vorteilhafte Phasen ausbilden, wobei es sich aber andererseits bei Mengen oberhalb von 0,2 Gewichtsprozent als gießtechnisch problematisch erweist. Antimon setzt sich an den Korngrenzen ab und versprödet dadurch das Material.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der Stranggusslegierung umfasst neben den Legierungsbestandteilen nach Anspruch 1 weiter höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.- % Eisen und höchstens bis 0,15 Gew.-% Antimon umfasst und als Rest Kupfer und verunreinigungsbedingte Bestandteile von jeweils weniger als 0,1 Gew.-% und insgesamt höchstens 0,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,5 Gew.-%. Hinsichtlich des Zinngehalts kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 4,5 Gew.- %, insbesondere wenigstens 5,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,5 Gew.-% und insbesondere höchstens 6,5 Gew.-% Zinn umfasst. Insbesondere kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Stranggusslegierung mit 4,0 - 6,5 Gew.-% Zinn bzw. nach einer anderen Ausführungsform mit 5,4 - 8,0 Gew.-% Zinn dargeboten wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Stranggusslegierung der beanspruchten Zusammensetzung im erschmolzenen Zustand. Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Stranggusslegierung der beanspruchten Zusammensetzung im vergossenen Zustand.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung, wobei der Strangguss- Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt wenigstens 83,0 Gew.-% Kupfer,
4,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
1,1 bis 3,0 Gew.-% Nickel und
1,0 bis 2,8 Gew.-% Zink umfasst, wobei die Summe aus Zinn und Zink 10,0 Gew.-% nicht übersteigt.
Ferner sind Gegenstand der Erfindung spanend gefertigte Maschinenteile oder Getriebeteile, insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, oder spanend gefertigte Armaturenteile für die Leitung von Fluiden hergestellt durch spanende Bearbeitung eines Strangguss-Rohlings oder Strangguss-Zwischenprodukts der hier beanspruchten Art.

Claims

Patentansprüche
1. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung, wobei die
Stranggusslegierung bleifrei ausgebildet ist, wobei die Stranggusslegierung wenigstens 83,0 Gew.-%
Kupfer,
4,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
1,1 bis 3,0 Gew.-% Nickel und
1,0 bis 2,8 Gew.-% Zink umfasst, wobei die Summe aus Zinn und Zink 10,0 Gew.-% nicht übersteigt.
2. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1 - 0,6, insbesondere 0,2 - 0,6, insbesondere 0,3 - 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.
3. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 1,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 2,0 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 2,5 Gew.-% Zink umfasst.
4. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 1,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,0 Gew.-% Nickel umfasst.
5. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens 0,15 Gew.-% Antimon umfasst.
6. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens 0,15 Gew.-% Antimon umfasst und als Rest Kupfer und verunreinigungsbedingte Bestandteile von jeweils weniger als 0,1 Gew.-% und insgesamt höchstens 0,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,5 Gew.-% umfasst.
7. Kupfer-Zinn-Stranggußlegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 4,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,5 Gew.-% und insbesondere höchstens 6,5 Gew.-% Zinn umfasst.
8. Strangguss-Rohling oder Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, im Stranggießverfahren, wobei der Strangguss-Rohling oder das Strangguss- Zwischenprodukt wenigstens 83,0 Gew.-% Kupfer,
4,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
1,1 bis 3,0 Gew.-% Nickel und 1,0 bis 2,8 Gew.-% Zink umfasst, wobei die Summe aus Zinn und Zink 10,0 Gew.-% nicht übersteigt.
9. Spanend gefertigte Maschinenteile oder Getriebeteile, insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, oder spanend gefertigte
Armaturenteile für die Leitung von Fluiden, hergestellt durch spanende Bearbeitung eines Strangguss-Rohlings oder Strangguss-Zwischenprodukts nach Anspruch 8.
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