WO2016037672A1 - Verbundwerkstoff - Google Patents

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WO2016037672A1
WO2016037672A1 PCT/EP2015/001602 EP2015001602W WO2016037672A1 WO 2016037672 A1 WO2016037672 A1 WO 2016037672A1 EP 2015001602 W EP2015001602 W EP 2015001602W WO 2016037672 A1 WO2016037672 A1 WO 2016037672A1
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din
aisi
steel
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composite material
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PCT/EP2015/001602
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Uwe Hofmann
Kai Weber
Reinhold Eberle
Ulrike CIHAK-BAYR
Robin JISA
Stefan Laumann
Friedrich Franek
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Wieland-Werke Ag
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a composite material according to the preamble of
  • the invention has the object of developing a composite material of a steel and a copper alloy component, which is resistant to selective corrosion.
  • the invention includes a composite material consisting of a
  • Copper alloy component as a matrix is greater than the volume fraction of the steel component, and the electrochemical potential of the steel component in an electrolyte relative to the electrochemical potential of the
  • Copper alloy component is equal to or greater.
  • the invention is based on the consideration that the copper material forms the matrix in which the steel is incorporated as a minority phase.
  • the volume fractions in conjunction with the electrochemical potentials of the respective alloy components in the connection with an electrolyte are coordinated so that the contact corrosion between the
  • the copper alloy component contains neither strongly oxygen-affine elements nor elements which have a high vapor pressure in the sintering process and is, in particular, free of zinc and aluminum. There may be a difference in hardness between the copper alloy component as the matrix and the steel component, causing the
  • Copper alloy component as a matrix is greater than the volume fraction of the steel component.
  • the area fraction of a microstructure constituent determined in a quantitative microstructure analysis is equal to its point, line and volume fraction. Due to the different surface portions, the anode surface formed by the relatively non-precious copper alloy component is significantly larger than the cathode surface formed by the relatively noble steel component.
  • electrolyte all fluids containing mobile ions come into consideration. Aqueous or organic electrolyte solutions are in use in the field especially relevant. Liquid electrolytes can be all liquid solutions of ions, for example seawater, but also salt melts.
  • Electrolyte solution can already be formed in the mere dissolution of already existing ions.
  • a chemical reaction in which ions are formed such as with an acid-base reaction
  • lubricants e.g. ionic fluids, may have electrolytic properties.
  • the composite material can be processed by powder metallurgy
  • Powder compression or alternatively, for example, via the MIM process (MIM: Metal Injection Molding, metal powder injection molding) are produced.
  • MIM Metal Injection Molding, metal powder injection molding
  • the MIM process makes it possible to produce complex shaped parts in larger numbers with very narrow tolerances.
  • Other alternative manufacturing methods, such as 3D printing, may be suitable.
  • a metal powder provided with a binder is processed in an injection molding process.
  • the binder is then usually removed chemically and / or thermally. Dissolution of the binder in an inorganic or organic liquid is very common. In the case of aqueous
  • the composite should not have excessive porosity, so as not to affect the mechanical strength of the components; in the
  • Composite material may consist of at least one component of heterogeneous structure, such as perlite. This is for the wear resistance of advantage. Also contributing to increasing the strength and wear resistance of the composite are the hard phases embedded in the basic structure of a component, such as the chromium, tungsten, molybdenum, vanadium and titanium carbides.
  • a component such as the chromium, tungsten, molybdenum, vanadium and titanium carbides.
  • Mold variety for example by the MIM manufacturing process can be achieved.
  • these materials have a higher mechanical strength and a good run-in behavior due to a reduced porosity.
  • the composite shows a high hardness in combination with low
  • a composite component of the composition according to the invention is resistant to selective corrosion, the contact corrosion between the structural constituents.
  • the copper alloy component may be a copper-nickel-tin alloy or a copper-tin alloy.
  • mixed crystals may be present in the technically relevant, copper-rich range of the copper-tin system.
  • the structures that are actually formed are mainly determined by the tin content, the large solidification interval of the copper-tin materials and the high diffusion inertia of the tin, which makes it difficult to equilibrate during crystallization from the melt and to adjust the equilibrium.
  • tin bronze only at tin contents below 5 wt .-% is a primary structure exclusively from a- mixed crystals, at higher levels it consists of relatively soft a- mixed crystals and the hard ⁇ / ⁇ -eutectoid.
  • the tin addition increases the tensile strength of the alloy and, when cast, reaches a maximum between 10 and 15 percent by weight of tin.
  • the hardness increases steadily, which increases again with higher tin content.
  • the copper alloy component may have a tin content of from 2% to 20% by weight and a nickel content of from 0% to 20% by weight and optionally a phosphorus content of up to 1% by weight and balance
  • the stated elemental portions include, in particular, many suitable alloy compositions in practice. By adding nickel to copper-tin alloys, it is possible to produce materials that can be thermally hardened by a final annealing treatment with temperatures between 300 ° C and 700 ° C.
  • the copper alloy component may consist of at least one of the materials CuSn8P, CuSn12, CuSn14, CuSn12Ni2, CuNi6Sn6, CuNi5Sn5, CuNi9Sn5, CuNi9Sn6, CuNi15Sn8 and CuNi20Sn8.
  • the numbers represent the element content in weight percent. This selection includes significant alloy variants for a technical application.
  • the steel component may consist of a ferritic, pearlitic, ferritic-pearlitic or austenitic steel.
  • the microstructure and chemical resistance are determined by the alloy components.
  • the steel component is a high-alloy steel and in particular a high-alloyed,
  • the steel component may be made of at least one of the materials AISI 403 (DIN: X6CM 3, W. No .: 1 .4000), AISI 429 (DIN: X7CM4, W.Nr .: 1 .4001), AISI 430 (DIN: X6Cr17, W. No .: 1.4016), AISI 434 (DIN: X6CrMo17-1, W. No .: 1.41 13), AISI 409 (DIN: X2CrTi12, W.
  • AISI 430 Ti (DIN: X3CrTi17, W. No .: 1.4510), AISI 434 (DIN: X6CrMo17-1, W. No .: 1 .41 13), AISI 444 (DIN: X2CrMoTi18-2, W.-No. : 1.4521), AISI 436 (DIN: X6CrMoNb17-1, W.Nr .: 1.4526), AISI 441 (DIN: X2CrTiNb18, W. No .: 1.4509).
  • the steel component can advantageously be a chromium-nickel steel, for example AISI 302 (DIN: X3CrNiN17-8, W. No .: 1 .4319), AISI 304 (DIN:
  • AISI 304L (DIN: X2CrNi18-9, WG No .: 1.4307), AISI 304LN (DIN: X2CrNiN18-10, WG No .: 1.431 1 AISI 305 (DIN: X4CrNi18-12, W.Nr ,: 1.4303), AISI 415 (DIN: X3CrNiMo13-4, W. No .: 1.4313), AISI 316 (DIN:
  • AISI 316L (DIN: X2CrNiMo17-12-2, WG No .: 1.4404), AISI 316LN (DIN: X2CrNiMoN17-1 1-2, W No .: 1.4406), AISI 316 ⁇ (DIN: X6CrNiMoTi17-12-2, W. No .: 1.4571), AISI 317 (DIN: X3CrNiMo18-12-3, W. No .: 1.4449), AISI 630 (DIN: X5CrNiCuNb16-4, W. No .: 1.4542), AISI 321 (DIN:
  • the steel component can be a chromium-manganese steel, for example ASI 201 L (DIN: X2CrMnNiN 17-7-5, W. No .: 1 .4371), ASI 201 (DIN: X12CrMnNiN17-7-5 / X9CrMnNiCu17-8-5-2, W.-Nr. 1 .4372 / 1 .4618).
  • AISI 430 is a ferritic, 17 percent chromium steel, which already has good corrosion resistance.
  • the height Chromium content gives the steel good electrolyte resistance, such as water, water vapor, humidity and weak acids and alkalis.
  • AISI 304 (V2A) is widely used as stainless steel with a high production rate. It is an austenitic, acid-resistant 18/10 Cr-Ni steel which, due to its low carbon content after welding, is intercrystalline resistant even without subsequent heat treatment. It is also suitable for a temperature load up to 600 ° C. The steel has a very good polishing ability and a particularly good formability. This steel type is resistant to water, water vapor, humidity, food acids and weak organic and inorganic acids.
  • the AISI 321 material has excellent resistance to a variety of aggressive media including hot petroleum products, steam and combustion gases.
  • the material is characterized by good ductility and also by corrosion resistance.
  • austenitic stainless steel with excellent corrosion resistance.
  • This is a chromium-nickel steel with added molybdenum.
  • This steel is good cold forming.
  • These materials also have increased resistance to chlorides due to the molybdenum content. Additions of niobium, titanium, copper and / or nitrogen contribute to a further improvement of the
  • Corrosion resistance of chromium-nickel steels Areas of use include all areas that constantly come into contact with salt water.
  • pores can be contained with a total volume of not more than 25%.
  • the mechanical properties are improved by maximizing the load-bearing cross-section.
  • a small Pore volume or a small number of pores in the interior too
  • the pores may be contained with a total volume of 0.5 to 8%.
  • a defined porosity in tribological applications can take over the function of lubrication pockets, which positively influence the wear behavior in connection with lubricants.
  • the anode surface formed by the copper alloy component is always significantly larger than that through the
  • the volume fraction of the steel component may be 2 to 35% of the volume fraction of the copper alloy component. In a particularly preferred embodiment, the volume fraction of
  • Fig. 1 is a schematic view of a surface of the composite material.
  • 1 shows a schematic view of a surface of the composite material 1.
  • Exemplary embodiments of the solution according to the invention were produced by means of MIM consisting of 95% by weight of CuSn8 as copper alloy component 3 and 5% by weight of a selected steel component 2.
  • Steel component 2 is a stainless austenitic steel AISI 316 L and, for comparison, a Cr-Mo alloyed tempering steel
  • the steel component in the composites led to a significant reduction in the coefficient of friction and the wear volume compared to the pure matrix material CuSn8.
  • the reduced wear on the cylinder samples was also reflected in a significantly lower contamination of the lubricant by wear particles.
  • the change in the steel counter-bodies due to roughening or material transfer was less pronounced than in the case of the single-phase tin bronze CuSn8.
  • Composite materials are mechanically heterogeneous.
  • the indenter hardness is for d individual constituents:
  • Samples A and B of the steel-tin bronze composites described in Tables 1 and 2 were aged for a few days in potable water.
  • Sample B with the steel component 42CrMo4 formed a loosely adhering rust coating after just a few hours as a comparative sample.
  • sample A with stainless steel component AISI 316L did not corrode even after the entire aging time of several days.
  • a measurement of the rest potentials of the components of the composite in drinking water showed that the stainless steel AISI 316 L has a greater electrochemical potential than the corrosion-exposed AISI 4137 tempering steel, which is also less noble than the copper matrix CuSn8.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Stahlkomponente und einer Kupferlegierungskomponente, wobei die Kupferlegierungskomponente eine Matrix ausbildet, in welche die Stahlkomponente eingebettet ist, wobei der Volumenanteil der Kupferlegierungskomponente als Matrix größer ist als der Volumenanteil der Stahlkomponente, und das elektrochemische Potential der Stahlkomponente in einem Elektrolyten relativ zum elektrochemischen Potential der Kupferlegierungskomponente gleich oder größer ist.

Description

Beschreibung
Verbundwerkstoff
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Aus der Druckschrift JP 07 173 509 A ist eine verschleißbeständige Legierung für Gleitelemente bekannt. Bei der Sinterlegierung ist eine Steaditphase ausgebildet, welche in einer Kupferlegierungsmatrix in Kombination mit einer Eisenlegierung eingebettet ist. Diese Hartphase bewirkt eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit.
Bisher bekannte Systeme können jedoch zur selektiven Korrosion bzw. zu einer Bimetall- oder Kontaktkorrosion auf Gefügeebene neigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff aus einer Stahl- und einer Kupferlegierungskomponente weiterzubilden, welcher gegenüber selektiver Korrosion beständig ist.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiter- bildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt einen Verbundwerkstoff ein, bestehend aus einer
Stahlkomponente und einer Kupferlegierungskomponente, wobei die Kupferlegierungskomponente eine Matrix ausbildet, in welche die
Stahlkomponente eingebettet ist, wobei der Volumenanteil der
Kupferlegierungskomponente als Matrix größer ist als der Volumenanteil der Stahlkomponente, und das elektrochemische Potential der Stahlkomponente in einem Elektrolyten relativ zum elektrochemischen Potential der
Kupferlegierungskomponente gleich oder größer ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Kupferwerkstoff die Matrix ausbildet, in welcher der Stahl als Minoritätsphase eingelagert ist. Dabei sind die Volumenanteile in Verbindung mit den elektrochemischen Potentialen der jeweiligen Legierungskomponenten in der Verbindung mit einem Elektrolyten so aufeinander abgestimmt, dass die Kontaktkorrosion zwischen den
Gefügebestandteilen drastisch reduziert ist. Die Kupferlegierungskomponente enthält zudem weder stark sauerstoffaffinen Elemente noch Elemente, die im Sinterprozess einen hohen Dampfdruck aufweisen und ist insbesondere zink- und aluminiumfrei. Zwischen der Kupferlegierungskomponente als Matrix und der Stahlkomponente kann ein Härteunterschied bestehen, wodurch die
tribologischen Eigenschaften verbessert werden. In diesem Fall kann die
Stahlkomponente zumindest um 1 , 5-mal härter als die
Kupferlegierungskomponente sein.
Der am ebenen, metallographischen Schliff ermittelte Flächenanteil der
Kupferlegierungskomponente als Matrix ist größer als der Volumenanteil der Stahlkomponente. Der im Rahmen einer quantitativen Gefügeanalyse bestimmte Flächenanteil eines Gefügebestandteils ist dabei gleich seinem Punkt-, Linien- und Volumenanteil. Durch die unterschiedlichen Flächenanteile wird die durch die relativ unedle Kupferlegierungskomponente ausgebildete Anodenfläche deutlich größer als die durch die relativ edle Stahlkomponente gebildete Kathodenfläche. Als Elektrolyt^ kommen alle Fluide, die bewegliche Ionen enthalten, in Betracht. Wässrige oder organische Elektrolytlösungen sind bei einem Einsatz in der Praxis besonders relevant. Flüssige Elektrolyte können alle flüssigen Lösungen von Ionen, beispielsweise Meerwasser, aber auch Salzschmelzen sein. Eine
Elektrolytlösung kann bereits im bloßen Auflösen von schon vorhandenen Ionen gebildet werden. Alternativ kommt auch eine chemische Reaktion in Betracht, bei der Ionen entstehen, wie beispielsweise mit einer Säure-Base-Reaktion
realisierbar. Auch Schmierstoffe, wie z.B. ionische Fluide, können elektrolytische Eigenschaften aufweisen.
Der Verbundwerkstoff kann auf pulvermetallurgischem Wege über
Pulververdichtung oder alternativ auch beispielsweise über das MIM-Verfahren (MIM: Metal-Injection-Molding, Metallpulverspritzgießen) hergestellt werden.
Durch das MIM-Verfahren ist es möglich, komplex geformte Teile in größeren Stückzahlen mit sehr geringen Toleranzen herzustellen. Auch weitere alternative Fertigungsverfahren, wie beispielsweise der 3D-Druck, können geeignet sein.
Beim MIM-Verfahren wird ein mit einem Binder versehenes Metallpulver in einem Spritzgussprozess verarbeitet. Der Binder wird anschließend meist chemisch und/oder thermisch entfernt. Sehr verbreitet ist das Herauslösen des Binders in einer anorganischen oder organischen Flüssigkeit. Im Fall von wässrigen
Lösungen ist von Vorteil, dass die Neigung des erfindungsgemäßen Werkstoffs zur selektiven Korrosion sehr gering ist.
Insgesamt sollte der Verbundwerkstoff keine übermäßige Porosität aufweisen, um die mechanische Festigkeit der Bauteile nicht zu beeinträchtigen; Im
Verbundwerkstoff kann zumindest eine Komponente aus heterogenem Gefüge, wie beispielsweise Perlit, bestehen. Dies ist für den Verschleißwiderstand von Vorteil. Ebenfalls zur Erhöhung der Festigkeit und der Verschleißbeständigkeit des Verbundwerkstoffes tragen die in dem Grundgefüge einer Komponente eingelagerten Hartphasen, wie beispielsweise die Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Vanadin- und Titancarbide bei. Der besondere Vorteil besteht darin, dass aus den erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffen qualitativ hochwertige komplex geformte und tribologisch beanspruchte Bauteile hergestellt werden können. So kann eine hohe
Formenvielfalt, beispielsweise durch das MIM-Herstellungsverfahren, erzielt werden. Insbesondere weisen diese Materialien durch eine reduzierte Porosität eine höhere mechanische Belastbarkeit und ein gutes Einlaufverhalten auf. Der Verbund zeigt eine hohe Härte in Kombination mit geringem
Reibungskoeffizienten mit gängigen Reibpaarungen, wodurch das tribologische Verhalten positiv beeinflusst wird. Ein Verbundbauteil der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist gegenüber selektiver Korrosion, der Kontaktkorrosion zwischen den Gefügebestandteilen, resistent.
Vorteilhafterweise kann die Kupferlegierungskomponente eine Kupfer-Nickel- Zinn-Legierung oder Kupfer-Zinn-Legierung sein. Im technisch relevanten, kupferreichen Bereich des Systems Kupfer-Zinn können, je nach Elementgehalt und Temperatur unterschiedene Mischkristalle vorliegen.
Die tatsächlich entstehenden Gefüge sind vor allem bestimmt durch den Zinn- Gehalt, das große Erstarrungsintervall der Kupfer-Zinn-Werkstoffe und die große Diffusionsträgheit des Zinns, die bereits bei der Kristallisation aus der Schmelze und die Einstellung des Gleichgewichts erschwert. Damit liegt in Zinnbronze nur bei Zinngehalten unter 5 Gew.-% ein Primärgefüge ausschließlich aus a- Mischkristallen vor, bei höheren Gehalten besteht es aus relativ weichen a- Mischkristallen und dem harten α/δ-Eutektoid. Durch den Zinnzusatz nimmt die Zugfestigkeit der Legierung zu und erreicht im gegossenen Zustand zwischen 10 und 15 Gewichtsprozent Zinn ein Maximum. Die Härte nimmt stetig zu, was sich bei höherem Zinngehalt nochmals verstärkt. Die Phasenverteilung im
Sekundärgefüge ist insbesondere ein Resultat von Wärmebehandlungen. Das Gefüge von Sinterwerkstoffen aus Kupfer-Zinn hängt außer von den
Sinterparametern ab von der chemischen Zusammensetzung, dem Primärgefüge sowie der Größe und der Gestalt der eingesetzten Metallpulverpartikel.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Kupferlegierungskomponente einen Zinngehalt von 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% und einen Nickelgehalt von 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% sowie optional einen Phosphorgehalt bis 1 Gew.-% und Rest
Kupfer aufweisen. Die angegebenen Elementanteile beinhalten insbesondere für die Praxis zahlreiche geeignete Legierungszusammensetzungen. Durch die Zugabe von Nickel zu Kupfer-Zinn-Legierungen können Werkstoffe erzeugt werden, die durch eine abschließende Glühbehandlung mit Temperaturen zwischen 300 °C und 700 °C warmausgehärtet werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Kupferlegierungskomponente aus zumindest einem der Werkstoffe CuSn8P, CuSn12, CuSn14, CuSn12Ni2, CuNi6Sn6, CuNi5Sn5, CuNi9Sn5, CuNi9Sn6, CuNi15Sn8 und CuNi20Sn8 bestehen. Die Zahlen geben den Elementgehalt in Gewichtsprozent wieder. Diese Auswahl umfasst für einen technischen Einsatz bedeutsame Legierungsvarianten.
Demgegenüber kann die Stahlkomponente aus einem ferritischen, perlitischen, ferritisch-perlitischen oder austenitischen Stahl bestehen. Das Gefüge und die chemische Beständigkeit werden hierbei von den Legierungskomponenten bestimmt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Stahlkomponente um einen hochlegierten Stahl und insbesondere um einen hochlegierten,
korrosionsbeständigen Stahl.
In diesem Zusammenhang sind die in Betracht gezogenen Stahlsorten in
Verbindung mit dem Elektrolyt immer edler als die jeweils zum Einsatz kommende Kupferlegierung. Als besonders vorteilhaft werden als geeignete Stahlkomponenten Chromstähle angesehen. Insbesondere kann die Stahlkomponente aus zumindest einem der Werkstoffe AISI 403 (DIN: X6CM 3, W.-Nr.: 1 .4000), AISI 429 (DIN: X7CM4, W.Nr.: 1 .4001 ), AISI 430 (DIN: X6Cr17, W.-Nr.: 1.4016), AISI 434 (DIN: X6CrMo17- 1 , W.-Nr.: 1.41 13), AISI 409 (DIN: X2CrTi12, W.-Nr.: 1 .4512), AISI 430 Ti (DIN: X3CrTi17, W.-Nr.: 1.4510), AISI 434 (DIN: X6CrMo17-1 , W.-Nr.: 1 .41 13), AISI 444 (DIN: X2CrMoTi18-2, W.-Nr.: 1.4521 ), AISI 436 (DIN: X6CrMoNb17-1 , W.Nr.: 1.4526), AISI 441 (DIN: X2CrTiNb18, W.-Nr.: 1.4509) bestehen.
Auch kann die Stahlkomponente vorteilhafterweise ein Chrom-Nickel-Stahl sein, beispielsweise AISI 302 (DIN: X3CrNiN17-8, W.-Nr.: 1 .4319), AISI 304 (DIN:
X5CrNi18-10, W.-Nr.: 1 .4301 ), AISI 304L (DIN: X2CrNi18-9, W.-Nr.: 1.4307), AISI 304LN (DIN: X2CrNiN18-10, W.-Nr.: 1.431 1 ), AISI 305 (DIN: X4CrNi18-12, W.Nr,: 1.4303), AISI 415 (DIN: X3CrNiMo13-4, W.-Nr.: 1.4313), AISI 316 (DIN:
X5CrNiMo17-12-2, W.-Nr.: 1 .4401 ), AISI 316L (DIN: X2CrNiMo17-12-2, W.-Nr.: 1.4404), AISI 316LN (DIN: X2CrNiMoN17-1 1-2, W.-Nr.: 1.4406), AISI 316ΤΊ (DIN: X6CrNiMoTi17-12-2, W.-Nr.: 1.4571 ), AISI 317 (DIN: X3CrNiMo18-12-3, W.-Nr.: 1.4449), AISI 630 (DIN: X5CrNiCuNb16-4, W.-Nr.: 1.4542), AISI 321 (DIN:
X6CrNiTi18-10, W.-Nr.: 1.4541 ), AISI 347 (DIN: X6CrNiNb18-10, W.-Nr.: 1 .4550). Des Weiteren vorteilhafterweise kann die Stahlkomponente ein Chrom-Mangan- Stahl sein, beispielsweise ASI 201 L (DIN: X2CrMnNiN 17-7-5, W.-Nr.: 1 .4371 ), ASI 201 (DIN: X12CrMnNiN17-7-5/X9CrMnNiCu17-8-5-2, W.-Nr. 1 .4372/1 .4618).
Die vorstehend genannte Auswahl ist in Verbindung mit den vorstehend
genannten Kupferlegierungen für einen Verbundwerkstoff besonders gut geeignet.
So ist beispielsweise AISI 430, ein ferritischer, 17-prozentiger Chromstahl, welcher für sich bereits eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Der hohe Chromgehalt verleiht dem Stahl eine gute Beständigkeit gegen Elektrolyt« wie Wasser, Wasserdampf, Luftfeuchtigkeit sowie schwache Säuren und Laugen.
AISI 304 (V2A) ist als nichtrostender Stahl mit einem hohen Produktionsanteil ein häufig eingesetzter Werkstoff. Es ist ein austenitischer, säurebeständiger 18/10 Cr-Ni-Stahl, der wegen seines niedrigen Kohlenstoffgehalts nach dem Schweißen auch ohne nachträgliche Wärmebehandlung interkristallin beständig ist. Er ist auch für eine Temperaturbeanspruchung bis 600 °C geeignet. Der Stahl hat eine sehr gute Polierfähigkeit und eine besonders gute Verformbarkeit. Dieser Stahltyp ist gegen Wasser, Wasserdampf, Luftfeuchtigkeit, Speisesäuren sowie schwache organische und anorganische Säuren beständig.
Der Werkstoff AISI 321 besitzt eine hervorragende Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von aggressiven Medien einschließlich heißer Erdölprodukte, Dampf und Verbrennungsgase. Der Werkstoff zeichnet sich durch gute Duktilität und ebenfalls durch Korrosionsbeständigkeit aus.
Auch hervorzuheben ist der Stahl AISI 316 und AISI 316L (V4A), ein
austenitischer rostfreier Stahl mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Es handelt sich hier um einen Chrom-Nickel-Stahl mit Molybdänzusatz. Dieser Stahl ist gut kalt umformbar. Diese Werkstoffe besitzen durch den Molybdänanteil auch eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Chloriden. Zusätze von Niob, Titan, Kupfer und/oder Stickstoff tragen zu einer weiteren Verbesserung der
Korrosionsbeständigkeit der Chrom-Nickel-Stähle bei. Einsatzzwecke sind unter anderem alle Bereiche, die ständig mit Salzwasser in Berührung kommen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können Poren mit einem Gesamtvolumen von maximal 25% enthalten sein. Durch eine möglichst geringe Restporosität werden die mechanischen Eigenschaften verbessert, indem der tragende Querschnitt maximiert ist. Zudem werden durch ein geringes Porenvolumen bzw. eine geringe Porenanzahl im Inneren auch
Bruchausgangsstellen reduziert.
Vorteilhafterweise können die Poren mit einem Gesamtvolumen von 0,5 bis 8 % enthalten sein. Eine definierte Porosität kann bei tribologischen Anwendungen die Funktion von Schmiertaschen übernehmen, welche das Verschleißverhalten in Verbindung mit Schmierstoffen positiv beeinflussen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Volumenanteil der
Stahlkomponente maximal 40 % des Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente betragen. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch die
unterschiedlichen Volumenanteile die durch die Kupferlegierungskomponente gebildete Anodenfläche immer deutlich größer ist als die durch die
Stahlkomponente gebildete Kathodenfläche.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann der Volumenanteil der Stahlkomponente 2 bis 35 % des Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente betragen. In besonders bevorzugter Ausführungsform kann der Volumenanteil der
Stahlkomponente 10 bis 20 % des Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente betragen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Oberfläche des Verbundwerkstoffs.
Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Oberfläche des Verbundwerkstoffs 1 .
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung wurden mittels MIM hergestellt, die zu 95 Gew.-% aus CuSn8 als Kupferlegierungskomponente 3 und zu 5 Gew.-% aus einer ausgewählten Stahlkomponente 2 bestehen. Bei der
Stahlkomponente 2 handelt es sich um einen nichtrostenden austenitischen Stahl AISI 316 L und zum Vergleich um einen Cr-Mo-Iegierten Vergütungsstahl
42CrMo4. Die Proben wurden hinsichtlich Gefüge, Reibungs- und
Verschleißverhalten sowie Korrosionsverhalten untersucht. Die
Richtzusammensetzungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tab. 1 : Richtzusammensetzung der Stahlkomponenten einiger
Ausführungsbeispiele:
Figure imgf000011_0001
Die Ergebnisse tribometrischer Versuche sind in Tabelle 2 dargestellt. Für die Tests wurde ein Schwing-Reib-Verschleißtribometer (SRV, DIN 51834)
verwendet. Dabei gleitet eine Zylinderprobe aus den betreffenden
Verbundwerkstoffen mit einem Durchmesser von 4,2 mm über eine SRV Standardscheibe (100Cr6, Durchmesser 24 mm) mit von der Norm abweichender Rauheit (Rz = 2,7 mm, Orientierung der unidirektionalen Schleifriefen in Richtung der Oszillation). Öl (unadditiviertes, mineralisches Basisöl SN 150) wird vor dem jeweiligen Versuch aufgebracht und bildet einen Meniskus um den Gleitkontakt. Repräsentative Versuchsparameter sind: 3 mm Hub, 20 Hz Oszillationsfrequenz, 50 °C Scheibentempertur.
Die Stahlkomponente in den Verbundwerkstoffen führte zu einer signifikanten Verringerung der Reibzahl und des Verschleißvolumens im Vergleich zum reinen Matrixwerkstoff CuSn8. Der reduzierte Verschleiß an den Zylinderproben äußerte sich auch in einer deutlich geringeren Kontamination des Schmierstoffs durch Verschleißpartikel. Ferner war bei den Verbundwerkstoffen die Veränderung der Stahlgegenkörper durch Aufrauhung bzw. Materialübertrag weniger stark ausgeprägt als bei der einphasigen Zinnbronze CuSn8.
Tab. 2: Ergebnisse aus SRV- Versuchen nach einer Versuchsdauer von 120 min.
Figure imgf000012_0001
Es hat sich aus Nanoindenter-Messungen gezeigt, dass die Gefüge der
Verbundwerkstoffe mechanisch heterogen sind. Die Indenter-Härte beträgt für d einzelnen Bestandteile:
CuSn8: ca. 2 GPa,
AISI 4137: 15 - 20 GPa,
AISI 316 L: ca. 18 GPa.
Prinzipiell sind derart heterogene Gefüge vorteilhaft gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß.
Die Proben A und B aus den in den Tabellen 1 und 2 beschriebenen Stahl- Zinnbronze-Verbundwerkstoffen wurden einige Tage in Trinkwasser ausgelagert. Probe B mit der Stahlkomponente 42CrMo4 bildete als Vergleichsprobe hierbei bereits nach einigen Stunden einen lose anhaftenden Rostbelag aus. Dagegen korrodierte die Probe A mit der Edelstahlkomponente AISI 316L auch nach der gesamten Auslagerungsdauer von mehreren Tagen nicht. Eine Messung der Ruhepotentiale der Komponenten des Verbundwerkstoffs in Trinkwasser ergab, dass der Edelstahl AISI 316 L ein größeres elektrochemisches Potential aufweist als der einer Korrosion ausgesetzten Vergütungsstahl AISI 4137, der auch gegenüber der Kupfermatrix CuSn8 unedler ist.
Bezugszeichenliste
Verbundwerkstoff
Stahlkomponente
Kupferlegierungskomponente

Claims

Patentansprüche
Verbundwerkstoff (1), bestehend aus einer Stahlkomponente (2) und einer Kupferlegierungskomponente (3),
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kupferlegierungskomponente (3) eine Matrix ausbildet, in welche die Stahlkomponente (2) eingebettet ist,
- dass der Volumenanteil der Kupferlegierungskomponente (3) als Matrix größer ist als der Volumenanteil der Stahlkomponente (2), und
- dass das elektrochemische Potential der Stahlkomponente (2) in einem Elektrolyten relativ zum elektrochemischen Potential der
Kupferlegierungskomponente (3) gleich oder größer ist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierungskomponente (3) eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung oder Kupfer-Zinn-Legierung ist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierungskomponente (3) einen Zinngehalt von 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% und einen Nickelgehalt von 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% sowie optional einen Phosphorgehalt bis 1 Gew.- % und Rest Kupfer aufweist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierungskomponente (3) aus zumindest einem der Werkstoffe CuSn8P, CuSn12, CuSn14, CuSn12Ni2, CuNi6Sn6, CuNi5Sn5, CuNi9Sn5, CuNi9Sn6, CuNi15Sn8 und CuNi20Sn8 besteht. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlkomponente (2) ein hochlegierter Stahl ist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlkomponente (2) ein korrosionsbeständiger Stahl ist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlkomponente (2) ein Chromstahl, ein Chrom-Nickel-Stahl oder ein Chrom-Mangan-Stahl ist.
Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlkomponente (2) aus zumindest einem der Werkstoffe AISI 403 (DIN: X6CM 3, W.-Nr.: 1.4000), AISI 429 (DIN: X7Cr14, W.-Nr.: 1.4001), AISI 430 (DIN: X6CM7, W.-Nr.: 1.4016), AISI 434 (DIN: X6CrMo17-1 , W.-Nr.:
1.4113), AISI 409 (DIN: X2CrTi12, W.-Nr.: 1.4512), AISI 430 Ti (DIN:
X3CrTi17, W.-Nr.: 1.4510), AISI 434 (DIN: X6CrMo17-1 , W.-Nr.: 1.4113), AISI 444 (DIN: X2CrMoTi18-2, W.-Nr.: 1.4521), AISI 436 (DIN:
X6CrMoNb17-1 , W.-Nr.: 1.4526), AISI 441 (DIN: X2CrTiNb18, W.-Nr.:
1.4509), AISI 302 (DIN: X3CrNiN17-8, W.-Nr.: 1.4319), AISI 304 (DIN: X5CrNi18-10, W.-Nr.: 1.4301), AISI 304L (DIN: X2CrNi18-9, W.-Nr.:
1.4307), AISI 304LN (DIN: X2CrNiN18-10, W.-Nr.: 1.4311), AISI 305 (DIN: X4CrNi18-12, W.-Nr.: 1.4303), AISI 415 (DIN: X3CrNiMo13-4, W.-Nr.:
1.4313), AISI 316 (DIN: X5CrNiMo17-12-2, W.-Nr.: 1.4401), AISI 316L (DIN: X2CrNiMo17-12-2, W.-Nr.: 1.4404), AISI 316LN (DIN: X2CrNiMoN17- 11-2, W.-Nr.: 1.4406), AISI 316ΤΊ (DIN: X6CrNiMoTi17-12-2, W.-Nr.:
1.4571), AISI 317 (DIN: X3CrNiMo18-12-3, W.-Nr.: 1.4449), AISI 630 (DIN: X5CrNiCuNb16-4, W.-Nr.: 1.4542), AISI 321 (DIN: X6CrNiTi18-10, W.-Nr.: 1.4541), AISI 347 (DIN: X6CrNiNb18-10, W.-Nr.: 1.4550), ASI 201 L (DIN: X2CrMnNiN17-7-5, W.-Nr.: 1.4371), ASI 201 (DIN: X12CrMnNiN17-7- 5/X9CrMnNiCu17-8-5-2, W.-Nr. 1.4372/1.4618) besteht.
9. Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass Poren mit einem Gesamtvolumen von maximal 25% enthalten sind.
10. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
Poren mit einem Gesamtvolumen von 0,5 bis 8 % enthalten sind.
11. Verbundwerkstoff (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Stahlkomponente (2) maximal 40 % des Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente (3) beträgt.
12. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Stahlkomponente (2) 2 bis 35 % des Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente (3) beträgt.
13. Verbundwerkstoff (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Stahlkomponente (2) 10 bis 20 % des
Volumenanteils der Kupferlegierungskomponente (3) beträgt.
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