Verwendung einer zinnreichen Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Cu-Sn-Fe-Legierung für mechanisch beanspruchte Bauteile des Maschinen- oder Fahrzeugsbaus. Die Cu-Sn-Fe-Legierung besteht aus Sn 12 - 20 Gew.-%, Fe 0,2 - 5,0 Gew.-%, Rest Cu und den üblichen Verunreinigungen. Die Legierung wird durch eine hinreichend schnelle Abkühlung aus dem schmelzflüssigen Zustand bei Raumtemperatur in einem solchen Gefügezustand erhalten, daß die für die Halbzeugherstellung vorliegende Vorform (Gussband, Gussblock, Gussbolzen) technisch frei von groben, spröden Phasen ist und sich daher in besonderer Weise für die Herstellung von Halbzeugen - also von Bändern, Profilen, Drähten, Hohlprofilen oder Rohren - durch Kneten eignet. Diese Halbzeuge eignen sich hervorragend für die Anfertigung verschiedener mechanischer Funktionsteile der Feinmechanik, des Fahrzeug- oder des allgemeinen Maschinenbaus. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der Herstellungsweise zeichnet die o.g. Legierung eine hohe mechanische Festigkeit bzw. eine hohe Verschleißfestigkeit bei hervorragender Duktilität aus. Zudem weist sie eine gute Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf.

[0002] CuSn-Werkstoffe werden wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihres großen Widerstandes gegen Gleitbeanspruchung bzw. Verschleiß und ihrer Korrosionsbeständigkeit für die unterschiedlichsten mechanischen Bauteile des allgemeinen Maschinenbaus verwendet. CuSn-Knetlegierungen mit typischerweise 8 Gew.-% Sn sind sehr gut umformbar und eignen sich deshalb auch für die Herstellung komplexer Funktionsteile. Sie werden beispielsweise z.B. in Gleitlagern und Getrieben, als Federn sowie für meerwasserbeanspruchte Teile wie Ketten, Armaturen usw. eingesetzt. Für Bauteile, die sehr hohen mechanischen Belastungen unterworfen sind, wie beispielsweise für Zahnräder, bevorzugt man dagegen CuSn-Gußlegierungen mit Sn-Gehalten über 10 Gew.-%. Durch den erhöhten Zinn-Gehalt erreichen die Gußbronzen die geforderte Festigkeit, sie sind allerdings damit auch schlecht umformbar. Dafür sind im wesentlichen spröde Phasen im Primärgefüge einer solchen Gußbronze verantwortlich, die bei den gängigen Gießverfahren während der Erstarrung entstehen. Diese Phasen können auch durch eine thermische Nachbehandlung nicht entfernt werden, ohne daß Poren oder Ungänzen im Werkstoff zurückbleiben, welche wiederum die Umformung beeinträchtigen.

[0003] Für mechanisch beanspruchte Bauteile des allgemeinen Maschinen- oder Fahrzeugbaus besteht also der Wunsch nach einem Werkstoff, der den Gegensatz zwischen den CuSn-Knetwerkstoffen und den CuSn-Gußwerkstoffen überwindet: Der Werkstoff soll die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Gußbronzen mit den Verarbeitungseigenschaften der Knetwerkstoffe kombinieren, wozu besonders die Einstellung der Kaltverformbarkeit und gleichzeitige Sicherung einer hohen mechanischen Festigkeit und Härte notwendig ist.

[0004] In jüngster Vergangenheit wurde ein Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorgestellt¹, mit denen die Lösung der Aufgabe prinzipiell möglich sein sollte. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine zinnreiche CuSn-Legierung mit etwa 12 - 20 Gew.-% Sn, Rest Cu. Hierbei sorgt der hohe Sn-Gehalt für die Festigkeit des Werkstoffs.
¹siehe beispielsweise: S. Hansmann, "Neue Werkstoffe durch Sprühkompaktieren", METALL 53, 1999, S. 182 ff.

[0005] Geeignete Verfahren zum Urformen dieser Legierung sind das Sprühkompaktieren² oder das Bandgießen³. Der Werkstoff kühlt dabei so schnell aus dem schmelzflüssigen Zustand ab, daß die bei Gußstücken übliche Seigerung unterdrückt wird. Das Primärgefüge dieser Legierung ist demzufolge bei Raumtemperatur frei von makroskopischen Seigerungen⁴. Die mit diesen Verfahren hergestellten Vorformen können hervorragend warm oder kalt umgeformt werden.
² siehe beispielsweise: GB-PS 1 379 261, Reginald Gwyn Brooks, (1972), GB-PS 1 599 392, Osprey Metals Ltd., (1978), European Patent 0 225 732, Osprey Metals Ltd., (1986)
³ siehe beispielsweise: Vaught, C. F.: Apparatus of and Apparatus for Continuous Casting of a Metal Strip, Patentschrift USA WO 87/02285 (1987); Wünnenberg, K., Frommann, K., Voss-Spilker, P.: Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von breitem Band, Offenlegungsschrift DE 3601338 A1 (1987)
⁴ Unter makroskopischen Seigerungen werden dabei Gefügebestandteile verstanden, die im Gussgefüge vorhanden sind, einen Anteil von mehr als 10 Vol.-% einnehmen und als einzelne Phasenfelder eine Abmessung von mehr als 1 mm haben.

[0006] Der so hergestellte Werkstoff ist vor allem aufgrund seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften vielseitig im Bereich des Maschinenbaus einsetzbar. Dennoch können einige Mängel festgestellt werden.

[0007] Die Prozeßführung beim Urformen ist aus folgenden Gründen schwierig: Wie bei den konventionellen, vergleichsweise zinnarmen CuSn-Knetlegierungen besteht auch im vorliegenden Fall die Notwendigkeit zur Desoxidation der Schmelze. Bei den konventionellen Legierungen werden deshalb der Schmelze sauerstoffaffine Elemente, wie z. B. Phosphor, zugesetzt. Diese Zusätze werden in der Regel so ausgewählt, daß neben der Schmelzedesoxidation auch die Werkstoffeigenschaften (z. B. Festigkeit) günstig beeinflußt werden. Aufgrund der hohen Affinität zu Sauerstoff neigen die zugesetzten Elemente beim Erschmelzen und Gießen zum Abbrennen und Verschlacken. Dadurch ist eine aufwendige Prozeßführung zur Einhaltung von definierten Konzentrationen notwendig, Im allgemeinen beeinflussen die Oxide der Desoxidationsmittel in der Schmelze auch empfindlich die Schmelzeviskosität und damit die verfahrenstechnischen Randbedingungen des Urformprozesses wie z.B. des Sprühkompaktierens. Idealerweise kommt deshalb ein Vakuumofen für den Schmelzprozeß zum Einsatz, so daß ein Oxidieren der Zusätze weitgehend unterbunden werden kann. Nicht immer ist jedoch der erforderliche prozeßtechnische Aufwand zweckmäßig und wirtschaftlich.

[0008] Oxide von sauerstoffaffinen Beimengungen können zudem auch bei der Warmumformung der zinnreichen CuSn-Legierungen entstehen. Sie verschlechtern die Oberflächenqualität des Umformgutes und führen zu einer Werkzeugverschmutzung und infolgedessen zu einer verkürzten Standzeit der Werkzeuge. Beim Zerteilen oder Spanen sind diese Oxide im Werkstoffvolumen ebenfalls unerwünscht, weil sie aufgrund ihrer Härte einen erhöhten Werkzeugverschleiß fördern.

[0009] Es drängt sich also der Wunsch nach Werkstoffen auf, die einerseits hinsichtlich Festigkeit, Umformvermögen und Korrosionsbeständigkeit der oben beschriebenen CuSn-Legierung zumindest gleichkommen, aber andererseits eine vereinfachte Handhabung bei Herstellung und Verarbeitung ermöglichen.

[0010] Die dadurch gestellte Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung in der Weise gelöst, daß für mechanische Bauteile des Maschinen- oder Fahrzeugbaus eine Legierung verwendet wird, die neben Kupfer einen Zinngehalt von 12 bis 20 % Sn und einen Eisengehalt von 0,2 bis 5 % Fe enthält. Um eine gute Umformbarkeit zu erreichen, sollte das Urformen der Legierung abermals mit einem Gießverfahren erfolgen, bei dem die Entstehung spröder Phasen durch eine hohe Abkühlrate unterbunden wird. Überraschend ist nun, daß beim Gießen der erfindungsgemäßen Legierung mit einem derartigen Verfahren auf die aufwendige Vakuum- oder Schutzgastechnik weitgehend verzichtet werden kann.

[0011] Durch die Einstellung der o.g. Fe- und Sn-Gehalte erreicht die Legierung besonders gute mechanische Eigenschaften. Jene äußern sich zum einen in einer hohen Festigkeit bzw. Härte, in einer hohen Kriech- bzw. Erweichungsbeständigkeit und in einem hohen Verschleißwiderstand. Andererseits ist bei den Werkstoffen eine ausreichend große Zähigkeit festzustellen, die eine bezogene Formänderung durch Kaltumformung von mehr als 20 % ermöglicht.

[0012] Sn sorgt überdies für die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs. Der Sn-Gehalt sollte 20 % nicht überschreiten, da dann - auch mit einem unkonventionellen Gießverfahren - das verstärkte Auftreten spröder Phasen nicht verhindert werden kann.

[0013] Bei der Einstellung der o.g. Fe-Gehalte hat sich herausgestellt, daß die für o. g. Verwendung relevanten Werkstoffeigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung die der bekannten CuSn-Legierungen übertrifft. Überraschenderweise ist bei den angegebenen Fe-Gehalten eine zusätzliche Schmelzedesoxidation, die in den konventionellen CuSn-Legierungen üblicherweise durch P-Zusätze erfolgt, nicht notwendig. Daneben erschwert Eisen offenbar die Bildung von hartnäckigen Zunderschichten auf den Oberflächen erwärmter oder warm umgeformter Bauteile. Zur Erzielung dieser Effekte sowie zur Ausbildung eines homogenen, gleichmäßigen Gefüges ist ein Mindestgehalt an Fe notwendig. Große Eisenkonzentrationen sollten vermieden werden, da im Gefüge Agglomerationen von Fe-Teilchen entstehen, die das Zerteilen bzw. das Zerspanen des Werkstoffs erschweren.

[0014] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.

[0015] Aufgrund ihrer metallkundlichen Verwandtschaft kann Eisen ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt werden.

[0016] Zusätze von Mangan und/oder Zink bis zu 5 Gew.-% sind möglich, um den Metallwert der Legierung zu reduzieren.

[0017] Die Einstellung bestimmter Zerspanungseigenschaften wird durch Beimengungen von Blei oder Graphit bis zu 3 Vol.-% vollzogen. Daneben sorgen diese Zusätze für verbesserte Notlaufeigenschaften in reib- oder gleitbeanspruchten Bauteilen. Die Gehalte müssen beschränkt werden, da sich Blei- oder Graphitzusätze nachteilig auf die Umformung auswirken.

[0018] Um die Festigkeitskennwerte weiter zu steigern, kann Aluminium bis zu 2 Gew.-% zugesetzt werden. Höhere Gehalte sind nicht sinnvoll, da sie eine Oberflächenbearbeitung oder das Fügen des Werkstoffs beeinträchtigen.

[0019] Nickel-Zusätze bis zu 5 Gew.-% verbessern die Festigkeitseigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit. Höhere Gehalte fördern Aushärtungsmechanismen, wodurch die weitere Verarbeitung der Legierung erschwert wird.

[0020] Je nach der Art bzw. Arbeitsweise der zur Verfügung stehenden Fertigungseinrichtung kann Phosphor zur Desoxidation der Schmelze eingesetzt werden. Ein signifikanter Effekt tritt ab 0,01 % P ein. Zur Vermeidung grober Eisen-Phosphid-Partikel im Gefüge sollte die Phosphor- so auf die Eisen-Konzentration abgestimmt werden, daß Fe-Gehalt/P-Gehalt > 2. P-Gehalte über 0,5 Gew.-% sind zu vermeiden, da dadurch einerseits die Duktilität des Werkstoffs verringert wird und andererseits in der Wärme lose haftende Zunderschichten entstehen, die besonders bei der Warmumformung stören.

[0021] Die Erfindung wird an nachfolgendem Beispiel erläutert.

Beispiel:

[0022] In Schneckenradgetrieben wie auch bei hochbelasteten Gleitelementen treten Gleitbeanspruchungen zwischen Werkstoffpaarungen unter sehr hohen Flächenpressungen auf. Gefordert sind Werkstoffe sehr hoher Festigkeit und ausreichender tribologischer Eigenschaften. Für diese Anwendungen ist die erfindungsgemäße CuSnFe-Legierung in besonderer Weise geeignet.

[0023] Zur Erzeugung eines für die Schneckenradfertigung geeigneten Halbzeugs wurde ein Bolzen CuSn15Fe0,8 durch Sprühkompaktieren gefertigt. Als Zerstäubergas wurde Stickstoff verwendet. Die für die durch geeignete Zusätze desoxidierten Legierungen typischen Phänomene der Schlackenbildung, des Abbrands und des Viskositätsanstiegs der Schmelze aufgrund von Oxidbildung konnten bei der erfindungsgemäßen Legierung trotz atmosphärischer Schmelzebedingungen vollständig vermieden werden. Festzustellen war ein leichter Fe-Abbrand von 0,85 Gew.% auf 0,75 Gew.% im gesprühten Bolzen, der jedoch für die Fertigung und die Funktion des Bauteils ohne Bedeutung blieb.

[0024] Das Gefüge im gesprühten Zustand war gleichmäßig und metallographisch frei von Seigerungen. Nach spanender Bearbeitung des Bolzens erfolgte eine Warmumformung durch Strangpressen zu einer Stange mit Durchmesser 20 mm. Die Temperatur des Werkstoffs betrug dabei 650°C. Das Stangenmaterial wurde gerichtet.

[0025] Der Werkstoff lag nach der Warmumformung im weichen Zustand vor. Die mechanischen Eigenschaften wurden mit A₁₀ = 53 %, R_p0.2 = 253 MPa, R_m = 548 MPa, HV = 133 ermittelt.

[0026] Zur Oberflächenegalisierung wurden die Stangen gebeizt. Die weitere Bearbeitung erfolgte durch Kaltziehprozesse, um die Festigkeitseigenschaften zu steigern. Die Umformung wurde in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Umformschritt wurden die Stangen auf einen Durchmesser von 17,9 mm gezogen, entsprechend einer Flächenreduktion von 20 % (φ = 0,22). Ohne Zwischenglühung erfolgte der zweite Umformschritt an Durchmesser 15,5 mm. Die Gesamtumformung entsprach somit einer Flächenreduktion von 40 % (φ = 0,51). Die Stangen wurden nachfolgend gerichtet.

[0027] Zur Vermeidung eines Werkstückverzugs während der spanenden Bearbeitung wurden innere Spannungen durch eine 4-stündige Glühbehandlung bei 300°C reduziert. Das Stangenmaterial zeigte abschließend folgende Eigenschaften: A₁₀ = 5,8 %, R_p0.2 = 709 MPa⁵, R_m = 865 MPa, HV10 = 265.
⁵Zum Vergleich: Die Streckgrenze R_p0.2 einer konventionell gefertigten CuSn-Knetlegierung mit 8 Gew.-% Sn beträgt nach einer Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion ca. 620 MPa.

[0028] In der folgenden Tabelle werden die erzielten Eigenschaften mit einer CuSn15,5-Legierung verglichen, die - abgesehen vom Schmelzen - auf gleiche Weise verarbeitet wurde. Der Schmelzprozeß erfolgte bei jener Legierung im Vakuum, so daß auf desoxidierende Zusätze verzichtet werden konnte. Der prozeßtechnische Aufwand der Fertigung des CuSn15,5-Werkstoffs war somit erheblich höher als der Fertigungsaufwand von CuSn15,5Fe0,7.

CuSn15,5Fe0,7 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion	Rm = 865 MPa, Rp0.2 = 709 MPa, A10 = 5,8 %, HV10 = 265
CuSn15,5 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion	Rm = 828 MPa, Rp0.2 = 681 MPa, A10 = 6,7 %, HV10 = 250
(CuSn15,5Fe0,7: erfindungsgemäß)

[0029] Durch den Einsatz von 0,7 Gew.% Fe erzielt die erfindungsgemäße Legierung deutlich bessere mechanischen Eigenschaften als die Fe-freien Variante und ist damit auch besser für mechanisch beanspruchte Bauteile geeignet die bekannten zinnarmen CuSn-Knetlegierungen. Die Duktilitätskennwerte sind bei beiden Werkstoffen ähnlich, woraus zu folgern ist, daß Fe-Zusätze geeignet sind, die Entstehung von Poren und versprödender Oxidzeilen während des Urformens zu erschweren. Dies war nicht zu erwarten, weil diese Wirkung des Eisens in einer CuSn-Legierung bisher nicht bekannt war.

[0030] Eine Glühbehandlung bei 650°C führt zur Entfestigung der Werkstoffe. Nach 3 h Glühzeit stellten sich die in unten stehender Tabelle aufgeführten Eigenschaften ein:

CuSn15,5Fe0,7 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion und nachfolgender Glühung bei 650°C / 3h.	Rm = 548 MPa, Rp0.2 = 253 MPa, A10 = 50 %, HV10 = 133
CuSn15,5 nach Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion und nachfolgender Glühung bei 650°C / 3h.	Rm = 498 MPa, Rp0.2 = 182 MPa, A10 = 50 %, HV10 = 104
(CuSn15,5Fe0,7: erfindungsgemäß)

[0031] Auffallend ist die geringe Entfestigung der erfindungsgemäßen Legierungen: Die Festigkeitskenngrößen übertreffen deutlich die einer konventionell urgeformten Zinnbronze mit 8 Gew.-% Sn⁶, welche vergleichbar umgeformt und wärmebehandelt wurde. Dies führt zu dem Schluß, daß die Zinn-reichen Legierungen wesentlich bessere mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen (d.h. Erweichungsbeständigkeit, Relaxationsbeständigkeit, Kriech- bzw. Zeitstandfestigkeit) aufweisen als die herkömmlichen CuSn-Knetlegierungen. Damit ist die erfindungsgemäße Legierung auch für den Einsatz unter erhöhter Temperatur geeignet.
⁶ Eine CuSn8-Legierung weist nach einer Kaltumformung mit 40 % Flächenreduktion und daran angeschlossener Wärmebehandlung typischerweise folgende mechanische Kenngrößen auf: A₁₀ = 60 %, R_p0.2 = 80 MPa, R_m = 350 MPa, HV = 75.

[0032] Im direkten Vergleich der Zinn-reichen, sprühkompaktierten Werkstoffe erreicht die Fe-haltige Legierung nach der Wärmebehandlung die höheren Festigkeitswerte, was Hinweis für eine höhere Temperaturbeständigkeit der mechanischen Eigenschaften ist.

[0033] Anhand dieser Ergebnisse kann also gezeigt werden, daß der prozeßtechnische Aufwand zur Herstellung zinnreicher CuSn-Legierungen durch einen erhöhten Fe-Gehalt umgangen und eine Verbesserung der anwendungsrelevanten Werkstoffschaften erzielt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird demnach gelöst.

Ansprüche

1. Verwendung einer Kupfer-Zinn-Eisen-Legierung, die aus 12 bis 20 Gew.-% Zinn, 0,2 bis 5 Gew.-% Eisen, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht, für die Herstellung mechanisch beanspruchter Bauteile des Fahrzeug- und des allgemeinen Maschinenbaus.

2. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Funktionselementen des Maschinenbaus, insbes. für die Herstellung von Hebeln, Federn, Zahnrädern, Schneckenrädern, Walzen, Spindelmuttern, Bolzen und Schrauben.

3. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Gleitlagern, Kupplungsstücken oder Friktionsscheiben aus dem Fahrzeug- oder Maschinenbau.

4. Verwendung nach Anspruch 1 für die Herstellung von elektromechanischen Bauteilen, insbes. für die Herstellung von Relaisfedern, Schaltelementen, Kontakten, Steckverbindern.

5. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1

mit 12 bis 14 Gew.-% Zinn, 1 bis 5 Gew.-% Eisen;

für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

6. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1

mit 15 bis 17 Gew.-% Zinn, 0,3 bis 4 Gew.-% Eisen;

für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

7. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1

mit 16 bis 20 Gew.-% Zinn, 0,3 bis 3 Gew.-% Eisen;

für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

8. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 7, bei der das Eisen ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt ist, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

9. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 8, die zusätzlich bis zu 5 Gew.-% Nickel enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

10. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 9, die zusätzlich bis zu 2 Gew.-% Aluminium enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.

11. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 10, die zusätzlich Mangan und/oder Zink bis zu insgesamt 5 Gew.-% enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4..

12. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 11, die zusätzlich bis zu 3 Vol.-% Blei und/oder intermetallische Phasen und/oder Graphit als Spanbrecher enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4. .

13. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 oder 5 bis 12, die zusätzlich 0,01 bis 0,5 Gew.-% Phosphor enthält, für den Zweck nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.