DE102021110301A1

DE102021110301A1 - Copper-tin continuously cast alloy

Info

Publication number: DE102021110301A1
Application number: DE102021110301.0A
Authority: DE
Inventors: Abram Tammen; Niklas Tammen
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2022223673A1; EP4326916A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie insbesondere Zahnräder, Schneckenräder, Laufbuchsen oder Linearführungsteile, oder für die Herstellung von Armaturenteilen für die Leitung von Fluiden, umfassend9,0 - 15,0 Gew.-% Zinn,0,1 - 2,0 Gew.-% Indium,und weiter gegebenenfalls umfassend folgende Legierungselementebis 0,20 Gew.-% Eisen,bis 2,5 Gew.-% Nickel,bis 0,30 Gew.-% Antimon,bis 0,50 Gew.-% Mangan,bis 0,3 Gew.-% Phosphor,bis 0,10 Gew.-% Schwefelbis 0,5 Gew.-% Zink,und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und Rest Kupfer.The invention relates to a copper-tin continuous casting alloy, in particular for the production of machine parts or transmission parts, such as in particular gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide parts, or for the production of fitting parts for conducting fluids, comprising 9.0 - 15.0 wt % tin, 0.1 - 2.0% by weight indium, and also optionally comprising the following alloying elements, up to 0.20% by weight iron, up to 2.5% by weight nickel, up to 0.30% by weight % antimony, up to 0.50% by weight manganese, up to 0.3% by weight phosphorus, up to 0.10% by weight sulfur, up to 0.5% by weight zinc, and impurity elements each up to a maximum of 0.10 % by weight and in total not more than 0.5% by weight, and the remainder copper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung, die bleifrei ausgebildet ist und die sich gut und auf wirtschaftliche Weise herstellen und vergießen lässt und nach dem Guss gut spanbar ist und gute mechanische Festigkeits- und Belastungseigenschaften aufweist, die sie insbesondere für die Herstellung von Maschinenteilen oder Getriebeteilen, wie Zahnrädern, Schneckenrädern, Laufbuchsen oder Linearführungselementen, oder für die Herstellung von Armaturenteilen für die Leitung von Fluiden geeignet erscheinen lässt.The invention relates to a copper-tin continuously cast alloy which is lead-free and which can be produced and cast easily and economically and is easy to machine after casting and has good mechanical strength and load-bearing properties, which are particularly useful for the production of machine parts or transmission parts, such as gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide elements, or for the production of fitting parts for the conduction of fluids.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass sich ein dendritisches Gefüge bildet, 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. Eine Verwendung der Stranggusslegierung zur Herstellung von Armaturenteilen wäre dann nicht möglich.With the present invention it was found that a dendritic structure forms which is difficult to feed in the casting process due to the large temperature interval between the solidus and liquidus curves of the system. As a result, cavities form between the dendritically growing primary grains, namely so-called micro blowholes, which can result in leaks in the casting and in the products made from it. It would then not be possible to use the continuously cast alloy for the production of valve parts.

Die Weglassung von Blei führt außerdem dazu, dass die Spanbarkeit der Legierung nicht den Anforderungen gerecht wird.The omission of lead also means that the machinability of the alloy does not meet the requirements.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Aspekten bei einer Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung weitgehend gerecht zu werden, ohne dass dem Ausgangsmaterial Blei zugegeben wird.The present invention is based on the object of largely meeting the above-mentioned aspects in a copper-tin continuous cast alloy without lead being added to the starting material.

Diese Aufgabe wird durch eine bleifreie Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a lead-free continuous cast copper-tin alloy having the features of claim 1.

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 sein kann.If a 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.

Es wurde nun erfindungsgemäß festgestellt, dass die Zugabe von Indium im beanspruchten Bereich die Vergießbarkeit wesentlich verbessern kann. Es wurde festgestellt, dass Indium mit Zinn bzw. Kupfer eine niedrigschmelzende Phase, ähnlich einer peritektischen Phase, bildet und dass diese niedrigschmelzende Phase sich bevorzugt in den vorgenannten Mikrolunkern ansammelt und diese Hohlräume dadurch dichtend aufzufüllen vermag. Hierdurch kann das Problem eines schlechten Speisungsverhaltens der Kupfer-Zinn Legierung in zufriedenstellenderer Weise gelöst werden. Im Unterschied zum Einsatz von Blei zur Dichtspeisung des Gefüges werden durch die Zugabe von Indium im beanspruchten Umfang die Festigkeitseigenschaften der Kupfer-Zinn-Legierung nicht nachteilig beeinflusst. Die Bruchdehnung und die Zugfestigkeit werden durch Zugabe von Indium im beanspruchten Umfang sogar eher verbessert. Die Dehn- oder Streckgrenze wird nur geringfügig herabgesetzt und liegt bei Indiumgehalten bis zu ca. 1 Gew.-% oberhalb von 130 MPa und bei Indiumgehalten zwischen 1,2 und 2,0 Gew.-% immer noch nahe bei 120 MPa, was sich für die meisten Anwendungen als hinreichend erweist. Insgesamt ergibt sich bei der beanspruchten erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Stranggusslegierung eine wirtschaftliche Herstellbarkeit und dennoch eine gute Gießbarkeit. Die Zugabe von Indium bewirkt mit der oder den sich hieraus bildenden quasi-peritektischen Phase(n) nicht nur eine Verbesserung des Speisungsverhaltens und damit der Gießbarkeit, sondern es wird auch die Spanbarkeit des Werkstoffs verbessert, indem sich die Indium aufweisenden Phasen als Spanbrecher während der spanenden Bearbeitung auswirken. Diese Phasen sind nämlich vergleichsweise hart, sie weisen jedoch einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als die metallische Grundmatrix der Legierung.It has now been found according to the invention that the addition of indium in the claimed range can significantly improve castability. It was found that indium forms a low-melting phase with tin or copper, similar to a peritectic phase, and that this low-melting phase accumulates preferentially in the aforementioned microshrinks and is thus able to fill these cavities in a sealing manner. This can more satisfactorily solve the problem of poor feeding performance of the copper-tin alloy. In contrast to the use of lead for dense feeding of the structure, the strength properties of the copper-tin alloy are not adversely affected by the addition of indium to the required extent. The elongation at break and the tensile strength are actually improved by the addition of indium to the extent claimed. The elongation or yield point is only slightly reduced and is still close to 120 MPa with indium contents of up to approx sufficient for most applications. Overall, the composition of the continuously cast alloy claimed according to the invention results in economic manufacturability and nevertheless good castability. The addition of indium not only brings about an improvement in the feeding behavior and thus the castability with the quasi-peritectical phase(s) formed therefrom, but also the machinability of the material is improved by the indium-containing phases acting as chip breakers during the machining. This is because these phases are comparatively hard, but they have a lower melting point than the metallic base matrix of the alloy.

Durch die Zugabe von Nickel kann die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert werden und der Wandstärkeneinfluss auf die mechanische Festigkeit nimmt ab. Bei Zugabe von Nickel im beanspruchten Umfang kann das entstehende Gitter neben der Mischkristallverfestigung durch Zinn noch weiter verspannt werden. Nickel kann auch mit weiteren Legierungselementen intermetallische Phasen bilden, die als Keime zur Gefügefeinung dienen, beispielsweise Nickel-Eisen-Phasen.The corrosion resistance of the alloy can be improved by adding nickel and the influence of the wall thickness on the mechanical strength decreases. If nickel is added to the required extent, the resulting lattice can be further strained by tin in addition to solid solution strengthening. Nickel can also form intermetallic phases with other alloying elements, which serve as nuclei for structural refinement, for example nickel-iron phases.

Gießtechnisch erweist es sich weiter als vorteilhaft, wenn die Stranggusslegierung höchstens 0,30 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,10 Gew.-%, insbesondere 0,03 - 0,08 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,20 Gew.-% Eisen und höchstens 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 Gew.-% als gießtechnisch problematisch erweist. Antimon setzt sich an den Korngrenzen ab und versprödet dadurch das Material etwas, was sich im Hinblick auf das Ziel einer guten Spanbarkeit durch brechende Späne durchaus als vorteilhaft erweist.In terms of casting technology, it is also advantageous if the continuously cast alloy contains at most 0.30% by weight, in particular at most 0.10% by weight, in particular 0.03-0.08% by weight, of phosphorus, at most 0.20% by weight -% iron and at most 0.30% by weight antimony. Phosphorus may prove advantageous within the claimed continuously cast alloy because it can effect deoxidation of the melt while hydrogen can be efficiently 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. Antimony settles at the grain boundaries and thereby makes the material somewhat brittle, which proves to be advantageous with regard to the goal of good machinability through breaking chips.

Mangan kann ebenfalls zur Desoxidation der Schmelze eingesetzt werden. Während der Erstarrung kann Mangan, ähnlich wie Nickel, in das metallische Gitter eingebaut werden. Dabei sinkt jedoch die Löslichkeit für das Element Zinn, und die Erstarrungstemperaturen werden im Allgemeinen erniedrigt. Nachteilig sind die relativ dichten Oxidhäute, die zu unkontrollieren Festigkeitsabfällen führen können. Daher wird der Mangan-Gehalt bis auf 0,5 Gew.-% begrenzt.Manganese can also be used to deoxidize the melt. Similar to nickel, manganese can be incorporated into the metallic lattice during solidification. However, this reduces the solubility for the element tin and the solidification temperatures are generally lower. The disadvantage is the relatively dense oxide skins, which can lead to uncontrolled drops in strength. The manganese content is therefore limited to 0.5% by weight.

In weiterer Ausbildung der vorliegenden Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 0,2 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,4 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,7 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,0 Gew.-%, und/oder höchstens 1,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,7 Gew.-% Indium umfasst.In a further embodiment of the present invention, it proves to be advantageous if the copper-tin continuous casting alloy contains at least 0.2% by weight, in particular at least 0.3% by weight, in particular at least 0.4% by weight, in particular at least 0.5% by weight, in particular at least 0.7% by weight, in particular at least 1.0% by weight, and/or at most 1.8% by weight, in particular at most 1.7% by weight, indium includes.

Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 9,5, insbesondere wenigstens 10,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 10,5 Gew.-%, und/oder höchstens 14,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 13,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 12,0 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,0 Gew.-% Zinn umfasst.It has also proven to be advantageous if the copper-tin continuous casting alloy contains at least 9.5% by weight, in particular at least 10.0% by weight, in particular at least 10.5% by weight and/or at most 14.0% by weight , in particular at most 13.0% by weight, in particular at most 12.0% by weight, in particular at most 11.5% by weight, in particular at most 11.0% by weight, tin.

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.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.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Strangguss-Rohling oder ein Strangguss-Zwischenprodukt, insbesondere in Strangform oder Rohrform, hergestellt durch Vergießen einer Stranggusslegierung der beanspruchten Art und Zusammensetzung und mit derselben Zusammensetzung wie diese Stranggußlegierung.The subject 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 of the type and composition claimed and having the same composition as this continuously cast alloy.

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.The subject matter of the invention also includes machine parts or transmission parts, in particular gears, worm wheels, bushings or linear guide parts, or machined fitting parts for conducting fluids, produced by machining a continuously cast blank or continuously cast intermediate product of the type claimed here.

Claims

Copper-tin continuous casting alloy, which is lead-free, in particular for the production of machine parts or transmission parts, such as in particular gear wheels, worm wheels, bushings or linear guide parts, or for the production of fitting parts for conducting fluids, comprising 9.0 - 15.0 wt% tin, 0.1-2.0% by weight indium, and further optionally comprising the following alloying elements up to 0.20% by weight iron, up to 2.5% by weight nickel, up to 0.30% by weight antimony, up to 0.50% by weight manganese, up to 0.3% by weight phosphorus, to 0.10% by weight sulfur up to 0.5% by weight zinc, and impurity elements in each case up to a maximum of 0.10% by weight and in the total up to a maximum of 0.5% by weight, and remainder copper.

copper-tin continuous casting alloy claim 1 , characterized in that they contain at least 9.5, in particular at least 10.0% by weight, in particular at least 10.5% by weight, and/or at most 14.0% by weight, in particular at most 13.0% by weight. -%, in particular at most 12.0% by weight, in particular at most 11.5% by weight, in particular at most 11.0% by weight, of tin.

copper-tin continuous casting alloy claim 1 or 2 , characterized in that they contain at least 0.2% by weight, in particular at least 0.3% by weight, in particular at least 0.4% by weight, in particular at least 0.5% by weight, in particular at least 0.7 % by weight, in particular at least 1.0% by weight, and/or at most 1.8% by weight, in particular at most 1.7% by weight, indium.

Continuous cast blank or continuously cast intermediate product, in particular in strand form or tube form, produced by casting a continuously cast alloy according to one or more of the preceding claims, in the continuous casting process, wherein the continuously cast blank or continuous cast intermediate product comprises: 9.0 - 15.0% by weight tin, 0.1-2.0% by weight indium, and further optionally the following alloying elements up to 0.20% by weight iron, up to 2.5% by weight nickel, up to 0.30% by weight antimony, up to 0.50% by weight manganese, up to 0.3% by weight phosphorus, to 0.10% by weight sulfur up to 0.5% by weight zinc, and impurity elements in each case up to a maximum of 0.10% by weight and in the total up to a maximum of 0.5% by weight, and remainder copper.

Machined machine parts or transmission parts, in particular gears, worm wheels, bushings or linear guide parts, or machined fittings parts for conducting fluids, produced by machining a continuously cast blank or continuously cast intermediate product claim 4 .