WO2024052220A1 - Bleifreie messinglegierung und daraus hergestelltes lagerbauteil - Google Patents

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WO2024052220A1
WO2024052220A1 PCT/EP2023/074001 EP2023074001W WO2024052220A1 WO 2024052220 A1 WO2024052220 A1 WO 2024052220A1 EP 2023074001 W EP2023074001 W EP 2023074001W WO 2024052220 A1 WO2024052220 A1 WO 2024052220A1
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lead
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PCT/EP2023/074001
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Inventor
Florian Seuss
Patrick Feldner
Volker Bräutigam
Alexander Dehnelt
Sven Reimus
Miroslava Sakaliyska
Original Assignee
Diehl Brass Solutions Stiftung & Co. Kg
Vdm Metals International Gmbh
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/04Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a lead-free brass alloy.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a lead-free brass alloy that is easy to machine and has good frictional wear resistance.
  • the brass alloy according to the invention contains: 59 to 62% by weight Cu, 2.0 to 2.5% by weight Mn, 0.5 to 1.5% by weight Si, less than 0.1% by weight Pb, the balance Zn and unavoidable contamination.
  • the brass alloy according to the invention has less than 0.1% by weight of Pb and is therefore considered lead-free. It has been shown that the brass alloy according to the invention shows satisfactory machinability despite the low lead content of less than 0.1% by weight. In particular, no unwanted long spiral chips are formed during machining. In addition, the friction properties of the lead-free brass alloy according to the invention are comparable to those of a lead-containing brass alloy.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the ratio of the weight percent of Mn to Si corresponds to the inequality 2.2 ⁇ Mn/Si ⁇ 3.2. It has been found that this ratio between manganese and silicon leads to an optimal chemical composition and the formation of manganese silicides.
  • manganese silicides are arranged in parallel on a functional surface. This increases the proportion of manganese silicides in the functional surface and improves the friction properties.
  • the parallel arrangement of the manganese silicides is achieved through a manufacturing process that involves hot forming.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.1% by weight of Fe, preferably 0.07% by weight of Fe.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.5% by weight of Sn, preferably 0.07% by weight of Sn.
  • composition of the lead-free brass alloy according to the invention is particularly preferred: 61.2% by weight Cu, 2.3% by weight Mn, 0.8% by weight Si, 0.07% by weight Fe, 0.07% by weight Sn , less than 0.1% by weight of Pb, the balance of Zn and unavoidable impurities.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.2% by weight of Ni, preferably 0.02% by weight to less than 0.2% by weight of Ni.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the lead-free brass alloy contains less than 0.1% by weight of Al, preferably 0.01% by weight to less than 0.1% by weight of Al.
  • the lead-free brass alloy can also contain less than 0.25% by weight of Cr and/or less than 0.25% by weight of Ti and/or less than 0.25% by weight of Co.
  • the invention relates to a bearing element or a bushing which is made from the lead-free brass alloy according to the invention. Because of your Due to its good friction properties, the lead-free brass alloy is ideal for the production of bearing elements and bushings.
  • Fig. 1 shows a functional surface of a lead-free brass alloy according to the invention
  • Fig. 3 shows a chip image produced by machining a lead-free brass alloy according to the invention.
  • An exemplary embodiment of the lead-free brass alloy has the following composition: 61.2% by weight Cu, 2.3% by weight Mn, 0.8% by weight Si, 0.07% by weight Fe, 0.07% by weight Sn, less than 0.1% by weight of Pb, the balance of Zn and unavoidable impurities.
  • the lead-free brass alloy can be processed into semi-finished products such as plates, pipes or rods, from which components such as bearing elements, bushings or the like can then be made.
  • Fig. 1 shows a functional surface of a semi-finished product that was made from the lead-free brass alloy. It can be seen that there are manganese silicides arranged in parallel on the functional surface. The comparatively high surface area of the manganese silicides on the functional surface improves their friction properties.
  • the machinability of the lead-free brass alloy is compared with a reference alloy.
  • the table below shows the compositions of the lead-free brass alloy and the reference alloy:
  • FIG. 2 shows the chip pattern of the lead-free brass alloy
  • Fig. 3 shows the chip pattern of the lead-containing reference alloy. It can be seen that both alloys produce chips of approximately the same size and type. The chip quality of the lead-free brass alloy is therefore okay.
  • the coefficient of friction was determined in identical tests for both alloys. It was found that both the lead-free brass alloy and the lead-containing reference alloy have almost identical coefficients of friction. The coefficient of friction is approximately 0.012.
  • the lead-free brass alloy can be used, for example, for the production of bearing elements, bushings or other components in which relative movement occurs between two components.

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Abstract

Bleifreie Messinglegierung, enthaltend: 59 bis 62 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,5 bis 1,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Daneben wird ein Lagerelement oder eine Buchse vorgeschlagen, das bzw. die aus der bleifreien Messinglegierung hergestellt ist.

Description

Bleifreie Messinglegierung und daraus hergestelltes Lagerbauteil
Die Erfindung betrifft eine bleifreie Messinglegierung.
In der Vergangenheit wurde zur Verbesserung der Zerspanung von Messinglegierungen Pb in einem Umfang von bis zu 4 Gew-% zugesetzt. Der Zusatz von Pb wird wegen absehbarer gesetzlicher Vorgaben zukünftig jedoch stark eingeschränkt werden.
Es besteht daher Bedarf an einer bleifreien Messinglegierung. Derartige Legierungen sind an sich bekannt, es wird beispielsweise auf die folgenden Druckschriften verwiesen: EP 2 009 122 A1, EP 3272 888 A1, WO 2016/045770 A1 und
EP 3269 835 A1. Das Fehlen von Blei beeinträchtigt allerdings die Zerspanbarkeit derartiger Messinglegierungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Messinglegierung anzugeben, die gut zerspanbar ist und einen guten Reibverschleißwiderstand besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine bleifreie Messinglegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält: 59 bis 62 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,5 bis 1,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung besitzt weniger als 0,1 Gew-% Pb und gilt daher als bleifrei. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Messinglegierung trotz des geringen Bleigehalts von weniger als 0,1 Gew-% eine zufriedenstellende Zerspanbarkeit zeigt. Insbesondere bilden sich beim Zerspanen keine unerwünschten langen Spiralspäne. Darüber hinaus sind die Reibeigenschaften der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung mit denjenigen einer bleihaltigen Messinglegierung vergleichbar. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis der Gewichtsprozente von Mn zu Si der Ungleichung 2,2 < Mn/Si < 3,2 entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Verhältnis zwischen Mangan und Silizium zu einer optimalen chemischen Zusammensetzung und zur Ausbildung von Mangan-Siliziden führt.
Bei der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung wird es besonders bevorzugt, dass Mangan-Silizide auf einer Funktionsfläche parallel angeordnet sind. Dadurch ist der Anteil der Mangan-Silizide an der Funktionsfläche vergrößert und die Reibeigenschaften sind verbessert. Die parallele Anordnung der Mangan-Silizide wird durch einen Herstellungsprozess erzielt, bei dem eine Warmumformung stattfindet.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,1 Gew-% Fe, vorzugsweise 0,07 Gew-% Fe, enthalten.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,5 Gew-% Sn, vorzugsweise 0,07 Gew-% Sn, enthalten.
Die folgende Zusammensetzung der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung ist besonders bevorzugt: 61,2 Gew-% Cu, 2,3 Gew-% Mn, 0,8 Gew-% Si, 0,07 Gew-% Fe, 0,07 Gew-% Sn, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,2 Gew-% Ni, bevorzugt 0,02 Gew-% bis weniger als 0,2 Gew-% Ni, enthalten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bleifreie Messinglegierung weniger als 0,1 Gew-% AI, bevorzugt 0,01 Gew-% bis weniger als 0,1 Gew-% AI enthält.
Bei der bleifreien Messinglegierung kann es auch vorgesehen sein, dass weniger als 0,25 Gew-% Cr und/oder weniger als 0,25 Gew-% Ti und/oder weniger als 0,25 Gew-% Co enthalten ist.
Daneben betrifft die Erfindung ein Lagerelement oder eine Buchse, das bzw. die aus der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung hergestellt ist. Aufgrund ihrer guten Reibeigenschaften ist die bleifreie Messinglegierung optimal für die Herstellung von Lagerelementen und Buchsen geeignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 eine Funktionsfläche einer erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung;
Fig. 2 ein durch Zerspanen einer Referenzlegierung erzeugtes Spanbild; und
Fig. 3 ein durch Zerspanen einer erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung erzeugtes Spanbild.
Ein Ausführungsbeispiel der bleifreien Messinglegierung hat die folgende Zusammensetzung: 61,2 Gew-% Cu, 2,3 Gew-% Mn, 0,8 Gew-% Si, 0,07 Gew-% Fe, 0,07 Gew-% Sn, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Die bleifreie Messinglegierung kann zu Halbzeugen wie Platten, Rohren oder Stangen verarbeitet werden, aus denen dann Bauteile wie Lagerelemente, Buchsen oder dergleichen hergestellt werden können. Fig. 1 zeigt eine Funktionsfläche eines Halbzeugs, das aus der bleifreien Messinglegierung hergestellt worden ist. Man erkennt, dass sich auf der Funktionsfläche parallel angeordnete Mangan-Silizide befinden. Der vergleichsweise hohe Flächenanteil der Mangan-Silizide auf der Funktionsfläche verbessert deren Reibeigenschaften.
Die Zerspanbarkeit der bleifreien Messinglegierung wird mit einer Referenzlegierung verglichen. In der nachfolgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen der bleifreien Messinglegierung und der Referenzlegierung dargestellt:
Figure imgf000006_0001
Bei dem Zerspanungsversuch wurde eine Wendeschneidplatte vom Typ CNMG120404FP HC5010 benutzt, die Drehzahl betrug 3.000 U/rnin, der Vorschub pro Umdrehung betrug 0,25 mm, die Schnitttiefe betrug 1 ,25 mm. Fig. 2 zeigt das Spanbild der bleifreien Messinglegierung, Fig. 3 zeigt im Vergleich dazu das Spanbild der bleihaltigen Referenzlegierung. Man erkennt, dass beide Legierungen in etwa gleich große und gleichartige Späne erzeugen. Die Spanqualität der bleifreien Messinglegierung ist daher in Ordnung. Für beide Legierungen wurden die Oberflächenrauigkeiten gemessen. Diese betrugen bei der bleifreien Messinglegierung Ra = 5,32 pm und bei der Referenzlegierung Ra = 5,61 pm. Die bleifreie Messinglegierung weist somit eine vergleichbare Oberflächenrauigkeit wie die bleihaltige Referenzlegierung auf.
Für beide Legierungen wurde der Reibkoeffizient in identischen Versuchen ermittelt. Es wurde herausgefunden, dass sowohl die bleifreie Messinglegierung als auch die bleihaltige Referenzlegierung nahezu identische Reibkoeffizienten besitzen. Der Reibkoeffizient beträgt etwa 0,012.
Diese Versuche haben ergeben, dass die bleifreie Messinglegierung ohne Einschränkungen als Ersatz für die bleihaltige Referenzlegierung verwendet werden kann.
Die bleifreie Messinglegierung kann zum Beispiel für die Herstellung von Lagerelementen, Buchsen oder anderen Komponenten verwendet werden, bei denen eine Relativbewegung zwischen zwei Komponenten auftritt.

Claims

Patentansprüche
1. Bleifreie Messinglegierung, enthaltend:
59 bis 62 Gew-% Cu,
2,0 bis 2,5 Gew-% Mn,
0,5 bis 1,5 Gew-% Si,
< 0,1 Gew-% Pb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Bleifreie Messinglegierung nach Anspruch 1 , wobei das Verhältnis der Gewichtsprozente von Mn zu Si der folgenden Ungleichung entspricht:
2.2 < Mn/Si < 3,2.
3. Bleifreie Messinglegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Mangan-Silizide auf einer Funktionsfläche parallel angeordnet sind.
4. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,1 Gew-% Fe, vorzugsweise 0,07 Gew-% Fe, enthalten ist.
5. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,5 Gew-% Sn, vorzugsweise 0,07 Gew-% Sn, enthalten ist.
6. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend:
61.2 Gew-% Cu,
2,3 Gew-% Mn,
0,8 Gew-% Si,
0,07 Gew-% Fe,
0,07 Gew-% Sn,
< 0,1 Gew-% Pb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. 7. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,2 Gew-% Ni, bevorzugt 0,02 Gew-% bis weniger als 0,2 Gew-% Ni, enthalten ist.
8. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,1 Gew-% AI, bevorzugt 0,01 Gew-% bis weniger als 0,1 Gew-% AI enthalten ist.
9. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,25 Gew-% Cr und/oder weniger als 0,25 Gew-% Ti und/oder weniger als 0,25 Gew-% Co enthalten ist.
10. Lagerelement oder Buchse, hergestellt aus einer bleifreien Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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