WO2023099734A1 - Kupfer-zinn stranggusslegierung, hieraus gefertigter strangguss-rohling oder spanend gefertigtes maschinenteil oder getriebeteil - Google Patents

Kupfer-zinn stranggusslegierung, hieraus gefertigter strangguss-rohling oder spanend gefertigtes maschinenteil oder getriebeteil Download PDF

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WO2023099734A1
WO2023099734A1 PCT/EP2022/084210 EP2022084210W WO2023099734A1 WO 2023099734 A1 WO2023099734 A1 WO 2023099734A1 EP 2022084210 W EP2022084210 W EP 2022084210W WO 2023099734 A1 WO2023099734 A1 WO 2023099734A1
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tin
continuously cast
copper
alloy
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Niklas TAMMEN
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Ks Gleitlager Gmbh
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like

Definitions

  • the invention relates to a copper-tin continuously cast alloy that is lead-free and is particularly suitable for the production of machine parts or transmission parts, such as gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide elements, and should therefore be easy to machine and have good tribological properties.
  • Known gunmetal alloy which has excellent mechanical Properties such as strength and high pressure resistance, and good machinability should have. It comprises at most 8% by weight tin, 0.1 to 0.7% by weight sulfur and 6% by weight or less but more than 0% by weight 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 suggested because zinc forms zinc sulfide with sulfur, which improves strength and elongation at break.
  • DE 10 2013 014 502 A1 relates to a machinable copper alloy containing 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, adding the above three elements for machinability improvement.
  • WO 2019/144173 does not disclose a continuously cast alloy but a multi-layer plain bearing element made of a composite material comprising a support metal layer and a further layer, in particular a sliding layer, the further layer being made of a lead-free cast alloy Copper-based alloy is formed, are included in the sulfidic precipitations.
  • the copper base alloy comprises between 0.1% and 12% by weight tin, between 0.1% and 10% by weight zinc, between 0.001% and 1.5% by weight sulfur , between 0.001% and 1.5% by weight boron, between 0.001% and 0.3% by weight phosphorus, between 0% and 3.5% by weight iron, between 0 wt.% and 3.5 wt.% silicon, between 0 wt.% and 2 wt.% calcium, between 0 wt.% and 2 wt.% zirconium, between 0 wt.% and 2% by weight tellurium, between 0% by weight and 2% by weight manganese, and at least one element from a first group consisting of antimony, bismuth, aluminum, cobalt, titanium, nickel, magnesium, silver, chromium, vanadium , Molybdenum, carbon, tungsten in a proportion of between 0% by weight and 2% by weight, the total proportion of the elements of the first group being a maximum of 5% by weight and the remainder being
  • DE 10 2020 106 995 A1 discloses a lead-free continuously cast copper-tin-bronze alloy, the continuously cast alloy containing at least 84% by weight copper, 9.0-13.0% by weight tin, 0.1-0.8% by weight % sulphur, at most up to 0.5% by weight zinc and 0.05 to 3.0% by weight nickel.
  • the applicant has found that for applications in tribologically demanding environments, for example in agriculture, stone working or mining, the (Emergency) running properties are of particular importance. These cannot be fully achieved by the continuously cast alloy presented in DE 10 2020 106 995 A1 in tribologically demanding environments.
  • JP 2006-152373 A discloses a lead-free wrought copper-tin alloy which is said to be capable of being well machined according to the task.
  • the alloy comprises 0.5-11.0% by weight of tin, 0.02-1.0% by weight of sulfur, 0.03-0.70% by weight of phosphorus and the balance copper and unavoidable impurities.
  • the cast blank is annealed for 2 hours at 700°C (recrystallization annealing) and then cold formed; it can then also be machined.
  • JP 2006-152373 A discloses a lead-free copper-tin alloy with at most 10% by weight tin, comprising 0.05 - 1.5% by weight sulphur, preferably 0.05 - 0.6% by weight sulphur, and with zinc, the zinc content being greater than zero to 10 percent by weight, in particular 3-10 percent by weight, in particular 3-8 percent by weight. All of the exemplary embodiments have zinc contents of between 4 and 7 percent by weight.
  • the present invention is based on the object of providing a copper-tin continuously cast 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 tribological properties. According to the invention, this object is achieved by a continuously cast alloy having the features of claim 1 .
  • the emergency running properties of the continuously cast alloy can be improved by increasing the sulfur content in the claimed range.
  • Sulfur is believed to form copper sulfide with copper. It is known from microhardness tests that the copper sulphide embedded in the copper-tin matrix is significantly softer than the surrounding matrix. According to the invention, it was found that copper sulfide has a positive effect on the tribological properties. Similar to how foreign particles are absorbed by the lead in alloys containing lead, it can be assumed that foreign particles can be embedded in the copper sulphide in tribological applications. From a content of 1.48 wt. -% but there is a molten segregation of the components copper and sulfur, which significantly reduces the castability.
  • Zinc sulphide is formed in connection with zinc, which can have the effect of reducing the strength in that it is not precipitated in globulitic form but rather in a spattered form. Furthermore, due to its higher hardness, zinc sulphide increases wear under tribological stress in comparison with copper sulphide. Zinc should therefore be avoided as far as possible according to the invention. It proves beneficial when the
  • Continuous casting alloy in particular 1.2 - 1.48% by weight sulfur.
  • the casting i.e. a continuously cast blank or a continuously cast intermediate product
  • the casting is only heated for 0.5 - 6 hours, in particular for 2 - 6 hours, at temperatures of 250°C - 400°C, in particular 250°C - 350 °C stress relieved.
  • the continuously cast billet or semi-finished product can be machined to its final shape without post-continuous heat treatment at high temperatures of 500°C - 650°C to induce a Recrystallization is performed.
  • the continuously cast blank or the continuously cast intermediate product is merely stress-relieved in the aforementioned manner and then machined to the final shape.
  • lead-free alloy is mentioned here, this means that lead is not actively added as an alloying element and that an impurity-related residue of lead of at most 0.10% by weight, in particular at most 0.09% by weight, in particular at most 0.08% by weight, in particular at most 0.07% by weight, in particular at most 0.06% by weight and preferably at most 0.05% by weight.
  • the continuously cast alloy comprises 1.2-1.48% by weight of sulphur.
  • the continuously cast alloy comprises at most 0.08% by weight, in particular at most 0.07% by weight, in particular at most 0.05% by weight zinc, i.e. is preferably largely zinc-free, see above that zinc is only present as an impurity.
  • the continuously cast alloy contains at least 0.2% by weight, in particular at least 0.5% by weight, in particular at least 0.8% by weight and at most 4.0% by weight. %, in particular at most 3.0% by weight, in particular at most 2.0% by weight, in particular at most 1.5% by weight, of nickel. It was shown that nickel can partially increase the hardness, so that the service life under tribological loads can be improved. Due to the claimed nickel content, the resulting lattice is further strained and strengthened by tin in addition to the mixed crystal strengthening the hardness of the base matrix is increased. Nickel can also form intermetallic phases with other alloying elements, which serve as nuclei for structural refinement, for example nickel-iron phases.
  • the continuously cast alloy contains at most 0.10% by weight, in particular 0.03 - 0.08% by weight, of phosphorus, at most 0.20% by weight of iron, at most 0.01% by weight of -% aluminum and at most up to 0.30% by weight, in particular up to at most 0.25% by weight, in particular up to at most 0.20% by weight, in particular up to at most 0.15% by weight, of antimony.
  • Phosphorus may prove 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 amounts above 0.2% by weight. Aluminum severely embrittles the structure and reduces the elongation at break, so the content should be limited to 0.01% by weight. Antimony settles at 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% by weight phosphorus, at most 0.20% by weight iron, at most 0.01% by weight aluminum and at most up to 0.15% by weight.
  • -% includes antimony and balance copper and impurity components each less than 0.1% by weight and a total of at most 0.8% by weight, in particular at most 0.5% by weight.
  • the continuously cast alloy contains at least 3.5% by weight, in particular at least 4.0% by weight, in particular at least 9.0% by weight and in particular at most 11% by weight tin includes.
  • a high tin content results in a harder alloy.
  • the continuously cast alloy contains at least 3.5% by weight, in particular at least 4.0% by weight, in particular at most 8% by weight, in particular at most 7% by weight. , in particular at most 6% by weight of tin.
  • a rather moderate tin content of between 4 and 6% by weight tin leads to a material with moderate hardness, which allows the selection of a friction or sliding partner that is also moderately hard.
  • the copper content of the continuously cast alloy according to the invention is preferably at most 93.0% by weight, in particular at most 92.0% by weight, in particular at most 91.0% by weight at most 90.0% by weight copper.
  • Embodiments 1, 4 and 5 of the copper-tin continuously cast alloy according to the invention given below comprise a rather higher tin content of 9.8% by weight, 9.3 % by weight or 9.0 % by weight of tin and are therefore harder than the alloys of exemplary embodiments 2 and 3 with a rather moderate tin content of 3.8 or 4.6 % by weight due to the associated solid solution strengthening.
  • alloy 5 a rather high nickel content of 3.5% by weight is also provided, which leads to further hardening of the alloy.
  • lower nickel contents are provided for the other alloys 1 to 4.
  • the sulfur content of all alloys is between 1.1 and 1.48 and leads to the advantages described above.
  • All alloys have a maximum lead content of 0.06, so they can be described as lead-free.
  • the zinc content of all alloys is below 0.09, so that they can also be described as essentially zinc-free and zinc can be regarded as an impurity-related component.
  • the iron content is also below 0.05 in all alloys.
  • the silicon content is also below 0.05 for all alloys.
  • the phosphorus content in all alloys is 0.04 to 0.08% by weight.
  • the antimony content in all alloys is at most 0.25% by weight, in particular at most 0.20% by weight, in particular at most 0.15% by weight.
  • the subject matter of the present invention is a continuously cast alloy of the claimed composition in the molten state. Furthermore, the subject matter of the present invention is a continuously cast alloy of the claimed composition in the cast state.
  • the subject matter of the present invention is also 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 containing at least 86.0% by weight copper, 3, 5 - 12.0% by weight tin, 1.1 - 1.48% by weight sulfur, at most 4.0% by weight nickel and at most 0.09% by weight zinc.
  • the subject matter of the present invention is also a continuously cast blank or continuously cast intermediate product comprising at least 86.0% by weight copper, 3.5-12.0% by weight tin, 1.1-1.48% by weight sulfur , not more than 4.0% by weight nickel, not more than 0.09% by weight zinc, 0.10% by weight maximum phosphorus, 0.20% maximum iron, 0.01% maximum aluminum, 0.25% maximum antimony, and the balance copper and impurity components each less than 0.1% by weight and a total of at most 0.8% by weight, in particular at most 0.5% by weight.
  • the subject of the present invention is such an aforementioned continuously cast blank or a continuously cast intermediate product, which is for 0.5 - 6 hours, in particular for 2 - 6 hours, at temperatures of 250 ° C - 400 ° C, in particular 250 °C - 350 °C has been stress relieved.
  • the continuously cast blank or the continuously cast intermediate product can be machined in order to be brought to its final shape, without having to undergo a heat treatment at high temperatures of in particular 500°C - 650°C after the continuous casting a recrystallization is carried out.
  • the continuously cast blank or the continuously cast intermediate product is merely stress-relieved in the aforementioned manner and then machined to the final shape:
  • the invention therefore also relates to machine parts or transmission parts, in particular gears, worm wheels, bushings or linear guide parts, which have been produced by machining a continuously cast blank or continuously cast intermediate product of the type described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, wobei die Stranggusslegierung bleifrei ausgebildet ist, wobei die Stranggusslegierung wenigstens 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel und höchstens 0,09 Gew.-% Zink umfasst.

Description

Titel : Kupfer-Zinn Stranggusslegierung , hieraus gefertigter Strangguss-Rohling oder spanend gefertigtes Maschinenteil oder Getriebeteil
Beschreibung
Die Erfindung betri f ft eine Kupfer-Zinn Stranggusslegierung, die blei frei ausgebildet ist und die sich insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie Zahnrädern, Schneckenrädern, Laufbuchsen oder Linearführungselementen, eignet und daher gut spanbar sein und gute tribologische Eigenschaften aufweisen soll .
Aus US 2012 / 0082588 Al ist eine blei freie 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.
DE 10 2013 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 20 2007 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.
WO 2019/144173 offenbart keine Stranggusslegierung sondern ein Mehrschichtgleitlagerelement aus einem Verbundwerkstoff umfassend eine Stützmetallschicht und eine weitere Schicht, insbesondere eine Gleitschicht, wobei die weitere Schicht aus einer Gusslegierung aus einer bleifreien Kupferbasislegierung gebildet ist, in der sulfidische Ausscheidungen enthalten sind. Die Kupferbasislegierung umfasse zwischen 0,1 Gew.-% und 12 Gew.-% Zinn, zwischen 0,1 Gew.-% und 10 Gew.-% Zink, zwischen 0,001 Gew.-% und 1,5 Gew.-% Schwefel, zwischen 0,001 Gew.-% und 1,5 Gew.-% Bor, zwischen 0,001 Gew.-% und 0,3 Gew.-% Phosphor, zwischen 0 Gew.-% und 3,5 Gew.-% Eisen, zwischen 0 Gew.-% und 3,5 Gew.-% Silizium, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Calcium, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Zirkonium, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% Tellur, zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.- % Mangan, sowie zumindest ein Element aus einer ersten Gruppe bestehend aus Antimon, Bismut, Aluminium, Kobalt, Titan, Nickel, Magnesium, Silber, Chrom, Vanadium, Molybdän, Kohlenstoff, Wolfram in einem Anteil von jeweils zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-%, wobei der Summenanteil der Elemente der ersten Gruppe maximal 5 Gew.-% beträgt und als Rest Kupfer sowie Verunreinigungen, wobei die Summe aus den Anteilen aus Zinn und Zink in der Kupferbasislegierung mindestens 1,5 Gew . -beträgt . Bei keinem Ausführungs- oder Vergleichsbeispiel liegt der Zinkgehalt unter 0,4 Gew.-% und zumeist deutlich über 1 Gew.-% Zink.
DE 10 2020 106 995 Al offenbart eine bleifreie Kupfer-Zinn- Bronze Stranggusslegierung, wobei die Stranggusslegierung wenigstens 84 Gew.-% Kupfer, 9, 0 - 13,0 Gew.-% Zinn, 0,1 - 0,8 Gew.-% Schwefel, höchstens bis 0,5 Gew.-% Zink und 0,05 bis 3,0 Gew.-% Nickel umfasst. Die Anmelderin hat festgestellt, dass für Anwendungen in tribologisch anspruchsvollen Umgebungen, zum Beispiel in der Landwirtschaft, Gesteinsbearbeitung oder dem Bergbau, den (Not- ) Lauf eigenschaf ten eine besondere Bedeutung z u kommt . Diese können durch die in DE 10 2020 106 995 Al dargestellte Stranggusslegierung in tribologisch anspruchsvollen Umgebungen nicht vollumfänglich geleistet werden .
JP 2006-152373 A offenbart eine bleifreie Kupfer-Zinn Knetlegierung, die aufgabengemäß gut bearbeitet werden können soll. Die Legierung umfasst 0,5-11,0 Gew.-% Zinn, 0,02 - 1,0 Gew.-% Schwefel, 0,03 - 0,70 Gew.-% Phosphor und Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen. Der Gussrohling wird für 2 Stunden bei 700°C geglüht (Rekristallisierungsglühung) und anschließend kalt umgeformt; er kann danach auch spanend bearbeitet werden.
JP 2006-152373 A offenbart eine bleifreie Kupfer-Zinn Legierung mit höchstens 10 Gewichtsprozent Zinn, umfassend 0,05 - 1,5 Gewichtsprozent Schwefel, vorzugsweise 0,05 - 0, 6 Gewichtsprozent Schwefel, und mit Zink, wobei der Zinkgehalt mit größer Null bis 10 Gewichtsprozent, insbesondere 3-10 Gewichtsprozent, insbesondere 3-8 Gewichtsprozent angegeben ist. Alle Ausführungsbeispiele haben Zinkgehalte zwischen 4 und 7 Gewichtsprozent.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Zinn Stranggusslegierung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die sich gut und auf wirtschaftliche Weise herstellen und vergießen lässt und nach dem Guss gut spanbar ist und gute tribologische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt , dass durch Erhöhung des Schwefelgehalts in den beanspruchten Bereich die Notlaufeigenschaf ten der Stranggusslegierung verbessert werden können . Es wird davon ausgegangen, dass Schwefel mit Kupfer Kupfersul fid bildet . Aus Mikrohärteuntersuchungen ist bekannt , dass das in die Kupfer-Zinn-Matrix eingelagerte Kupfersul fid deutlich weicher ist als die umgebende Matrix . Erfindungsgemäß wurde festgestellt , dass Kupfersul fid sich positiv auf die tribologischen Eigenschaften auswirkt . Ähnlich wie bei bleihaltigen Legierungen Fremdpartikel durch das Blei aufgenommen werden, kann davon ausgegangen werden, dass Fremdpartikel bei tribologischen Anwendungen im Kupfersul fid eingelagert werden können . Ab einem Gehalt von 1 , 48 Gew . -% kommt es aber zu einer schmel z flüssigen Entmischung der Bestandteile Kupfer und Schwefel , welche die Gießbarkeit deutlich senkt .
In Verbindung mit Zink entsteht Zinksul fid, welches sich festigkeitsverringernd auswirken kann, indem es sich nicht globulitisch sondern eher spratzig ausscheidet . Weiterhin erhöht Zinksul fid infolge der höheren Härte , im Vergleich mit Kupfersul fid, den Verschleiß bei tribologischer Beanspruchung . Daher sollte Zink erfindungsgemäß weitestgehend vermieden werden . Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die
Stranggusslegierung insbesondere 1,2 - 1,48 Gew.-% Schwefel umfasst.
Insgesamt ergibt sich so bei der beanspruchten erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Stranggusslegierung eine wirtschaftliche Hersteilbarkeit 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.
Das Gussstück, also ein Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, wird nach dem Guss lediglich für 0,5 - 6 Stunden, insbesondere für 2 - 6 Stunden, bei Temperaturen von 250°C - 400°C, insbesondere 250°C - 350 °C spannungsarm geglüht. In diesem spannungsarm geglühten Zustand lässt sich der Strangguss-Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt spanend bearbeiten, um auf seine Endform gebracht zu werden, und zwar ohne dass nach dem Strangguss eine Temperaturbehandlung bei hohen Temperaturen von 500°C - 650°C zur Herbeiführung einer Rekristallisierung durchgeführt wird. Der Strangguss- Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt wird vielmehr lediglich in der vorerwähnten Weise spannungsarm geglüht und dann spanend auf Endform bearbeitet. 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 1,2 - 1,48 Gew.-% Schwefel umfasst.
Im Hinblick auf den Zinkgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung höchstens 0,08 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,07 Gew.-% insbesondere höchstens 0,05 Gew-% Zink umfasst, also vorzugsweise weitestgehend zinkfrei ist, so dass Zink nur noch als Verunreinigung vorliegt.
Im Hinblick auf den Nickelgehalt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 0,2 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,8 Gew.-% und höchstens 4,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 3,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,5 Gew.-% Nickel umfasst. Es zeigte sich, das Nickel partiell die Härte steigern kann, sodass die Standzeiten bei tribologischen Belastungen verbessert werden kann. Durch den beanspruchten Nickelgehalt wird das entstehende Gitter neben der Mischkristallverfestigung durch Zinn weiter verspannt und die Härte der Grundmatrix wird erhöht. Nickel kann auch mit weiteren Legierungselementen intermetallische Phasen bilden, die als Keime zur Gefügefeinung dienen, beispielsweise Ni ekel -Ei sen- Phasen .
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, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium und höchstens bis 0,30 Gew.-%, insbesondere bis höchstens 0,25 Gew.-%, insbesondere bis höchstens 0,20 Gew.-%, insbesondere bis höchstens 0,15 Gew.-% Antimon umfasst. Phosphor kann sich innerhalb der beanspruchten Stranggusslegierung als vorteilhaft erweisen, weil es eine Deoxidation 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 Gew.-% als gießtechnisch problematisch erweist. Aluminium versprödet stark das Gefüge und senkt die Bruchdehnung, sodass der Gehalt auf 0,01 Gew.-% zu begrenzen ist. 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, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium 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 3,5 Gew.- % , insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,0 Gew.-% und insbesondere höchstens 11 Gew.-% Zinn umfasst. Ein hoher Zinngehalt führt zu einer härteren Legierung .
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Stranggusslegierung wenigstens 3,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 8 Gew.-%, insbesondere höchstens 7 Gew.-%, insbesondere höchstens 6 Gew.-% Zinn umfasst. Ein eher moderater Zinngehalt zwischen 4 und 6 Gew.-% Zinn führt zu einem Werkstoff mit einer moderaten Härte, was die Auswahl eines Reib- oder Gleitpartners ebenfalls moderater Härte erlaubt.
In erster Linie in Abhängigkeit von der zugesetzten Menge an Zinn und Nickel beträgt der Kupfergehalt der erfindungsgemäßen Stranggusslegierung vorzugsweise höchstens 93,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 92,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 91,0 Gew.-%, besondere höchstens 90,0 Gew.-% Kupfer.
Die nachstehend aufgeführten Ausführungsbeispiele 1, 4 und 5 der erfindungsgemäßen Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung umfassen einen eher höheren Zinngehalt von 9,8 Gew.-%, 9,3 Gew.-% bzw. 9,0 Gew.-% Zinn und sind daher aufgrund der hiermit verbundenen Mischkristallverfestigung härter als die Legierungen der Ausführungsbeispiele 2 und 3 mit eher moderatem Zinngehalt von 3,8 bzw. 4, 6 Gew.-%. Bei der Legierung 5 ist zudem ein eher hoher Nickelgehalt mit 3,5 Gew.-% vorgesehen, der zu einer weiteren Aufhärtung der Legierung führt. Bei den übrigen Legierungen 1 bis 4 sind demgegenüber geringere Nickelgehalte vorgesehen. Bei allen Legierungen beträgt der Schwefelgehalt zwischen 1,1 und 1,48 und führt zu den eingangs dargestellten Vorteilen.
1. Cu Sn9, 8 Sl, 2 NiO, 6
2. Cu Sn3, 8 Sl, 4 Nil, 6
3. Cu Sn4, 6 Sl, 3 NiO, 8
4. Cu Sn9, 3 Sl, 1 NiO, 6
5. Cu Sn9, 0 Sl, 1 Ni3, 5
Bei allen Legierungen liegt der Bleigehalt bei höchstens 0,06, sie sind daher als bleifrei zu bezeichnen.
Bei allen Legierungen liegt der Zinkgehalt unterhalb von 0, 09, so dass sie ebenfalls als im Wesentlichen zinkfrei zu bezeichnen sind und Zink als verunreinigungsbedingter Bestandteil angesehen werden kann.
Auch der Eisengehalt liegt bei allen Legierungen unterhalb von 0,05. Der Siliziumgehalt liegt bei allen Legierungen ebenfalls unterhalb von 0,05. Der Phosphorgehalt liegt bei allen Legierungen bei 0,04 bis 0,08 Gew. -% .
Der Antimongehalt liegt bei allen Legierungen bei höchstens 0,25 Gew-%, insbesondere bei höchstens 0,20 Gew.-%, insbesondere bei höchstens 0,15 Gew.-%.
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 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel und höchstens 0,09 Gew.-% Zink umfasst.
Weiter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Strangguss-Rohling oder Strangguss-Zwischenprodukt umfassend wenigstens 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel, höchstens 0,09 Gew.-% Zink, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,25 Gew.-% Antimon 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.-%.
Weiter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein solcher vorgenannter Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, der bzw. das für 0,5 - 6 Stunden, insbesondere für 2 - 6 Stunden, bei Temperaturen von 250°C - 400°C, insbesondere 250°C - 350 °C spannungsarm geglüht wurde. In diesem spannungsarm geglühten Zustand lässt sich der Strangguss-Rohling oder das Strangguss- Zwischenprodukt spanend bearbeiten, um auf seine Endform gebracht zu werden, und zwar ohne dass nach dem Strangguss eine Temperaturbehandlung bei hohen Temperaturen von insbesondere 500°C - 650°C zur Herbeiführung einer Rekristallisierung durchgeführt wird. Der Strangguss- Rohling oder das Strangguss-Zwischenprodukt wird vielmehr lediglich in der vorerwähnten Weise spannungsarm geglüht und dann spanend auf Endform bearbeitet:
Somit sind Gegenstand der Erfindung auch spanend gefertigte Maschinenteile oder Getriebeteile, insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, die durch spanende Bearbeitung eines Strangguss-Rohlings oder Strangguss-Zwischenprodukts der vorstehend beschriebenen Art hergestellt wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, wobei die Stranggusslegierung bleifrei ausgebildet ist, wobei die Stranggusslegierung wenigstens 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel und höchstens 0,09 Gew.-% Zink umfasst.
2. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1,2 - 1,48 Gew.-% Schwefel umfasst.
3. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie höchstens 0,08 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,07 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,05 Gew.-% Zink enthält.
4. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 0,2 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,8 Gew.-% und höchstens 4,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 3,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,5 Gew.-% Nickel umfasst.
5. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium und höchstens 0,25 Gew,-%, insbesondere höchstens 0,15 Gew.-% Antimon umfasst. 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, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium und höchstens 0,25 Gew.-%, insbesondere 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. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 3,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,0 Gew.-% und insbesondere höchstens 11 Gew.-% Zinn umfasst. Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 3,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 8 Gew.-%, insbesondere höchstens 7 Gew.-%, insbesondere höchstens 6 Gew.-% Zinn umfasst. 15 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 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel und höchstens 0,09 Gew.-% Zink umfasst. Strangguss-Rohling oder Strangguss-Zwischenprodukt nach Anspruch 9, umfassend wenigstens 86,0 Gew.-% Kupfer, 3,5 - 12,0 Gew.-% Zinn, 1,1 - 1,48 Gew.-% Schwefel, höchstens 4,0 Gew.-% Nickel, höchstens 0,09 Gew.-% Zink, höchstens 0,10 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen, höchstens 0,01 Gew.-% Aluminium, höchstens 0,15 Gew.-% Antimon 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. -% . Strangguss-Rohling oder Strangguss-Zwischenprodukt nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass 16 der Strangguss-Rohling oder das Strangguss- Zwischenprodukt 0,5 - 6 Stunden, insbesondere 2 - 6 Stunden, bei Temperaturen von 250°C - 400°C, insbesondere 250°C - 350°C spannungsarm geglüht wurde. 12. 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 11.
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