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(11) | EP 4 271 847 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
KUPFER-ZINN-STRANGGUSSLEGIERUNG COPPER-TIN CONTINUOUS CASTING ALLOY ALLIAGE DE COULÉE CONTINUE À BASE DE CUIVRE ET D'ÉTAIN |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] 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.
[0002] Mit der vorliegenden Erfindung, welche bei Kupfer-Zinn-Stranggusslegierungen mit höheren Zinngehalten ihren Ausgangspunkt hat, wurde festgestellt, dass eine Reduzierung des Zinngehalts in den eingangs gegebenen Bereich und die teilweise Substituierung von Zinn durch Zink gießtechnische Probleme mit sich bringt. Es bildet sich ein dendritisches Gefüge, 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.
[0003] Die Weglassung von Blei führt außerdem dazu, dass die Spanbarkeit der Legierung nicht den Anforderungen gerecht wird.
[0004] EP 3 736 350 A1 betrifft und offenbart ein Mehrschichtgleitlagerelement aus einem Verbundwerkstoff umfassend eine Stützmetallschicht und eine weitere Schicht, insbesondere eine Gleitschicht, sowie gegebenenfalls eine Zwischenschicht zwischen der Stützmetallschicht und der weiteren Schicht. Die weitere Schicht ist aus einer Gusslegierung, und zwar aus einer bleifreien Kupferbasislegierung gebildet, in der sulfidische Ausscheidungen enthalten sind. Beansprucht ist eine Zusammensetzung für die bleifreie Kupferbasislegierung mit:
Schwefel zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,3 Gew.-% und 0,8 Gew.-%,
Eisen zwischen 0,01 Gew.-% und 4 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,2 Gew.% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,3 Gew.-% und 1,5 Gew.-%,
Phosphor zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,001 Gew.-% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 0,5 Gew.-%,
zumindest ein Element aus einer ersten Gruppe bestehend aus Zink, Zinn, Aluminium, Mangan, Nickel, Silizium, Chrom, Indium von in Summe zwischen 0,1 Gew.-% und 49 Gew.-%, wobei
der Anteil an Zink zwischen 0 Gew.-% und 45 Gew.%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 5 Gew.% beträgt,
der Anteil an Zinn zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 10 Gew.% beträgt,
der Anteil an Aluminium zwischen 0 Gew.% und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 7,5 Gew.% beträgt,
der Anteil an Mangan zwischen 0 Gew.-% und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 5 Gew.% beträgt,
der Anteil an Nickel zwischen 0 Gew.-% und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 2 Gew.% beträgt,
der Anteil an Silizium zwischen 0 Gew.-% und 10 Gew.-%. insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 3 Gew. % beträgt,
der Anteil an Chrom zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,01 Gew.-% und 1 Gew.% beträgt und
der Anteil an Indium zwischen 0 Gew.-% und 10 Gew.-% beträgt, und mit zumindest einem Element aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Silber, Magnesium, Indium, Kobalt, Titan, Zirkonium, Arsen, Lithium, Yttrium, Calcium, Vanadium, Molybdän, Wolfram, Antimon, Selen, Tellur, Bismut, Niob, Palladium in einem Anteil von jeweils zwischen 0 Gew.-% und 1,5 Gew.-%, wobei der Summenanteil der Elemente der zweiten Gruppe zwischen 0 Gew.-% und 2 Gew.-% beträgt, und mit Rest Kupfer sowie aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen.
[0005] Bevorzugt soll Schwefel von 0,2 - 1,5 Gew.-%, insbesondere von 0,3 - 0,8 Gew.-%, vorhanden sein, und bevorzugt soll Eisen von 0,2 - 2 Gew.-%, insbesondere von 0,3 - 1,5 Gew.-% vorhanden sein. Durch intermetallische FeS-Phasen, die neben den Kupfersulfiden entstehen, könne eine Verringerung der Fressneigung erreicht werden. Weiter bevorzugt soll die Kupferbasislegierung entweder Zink oder Zinn enthalten. Durch die Vermeidung der Kombination beider Elemente könne eine deutliche Verbesserung der Gießeigenschaften der Legierung durch die damit erreichbare Verringerung des Erstarrungsintervalls erreicht werden. Es gibt 183 Beispiel- Zusammensetzungen, von denen 25 kein Indium oder nur 0,01 Gew.-% Indium enthalten. Fast alle übrigen Beispiel- Zusammensetzungen enthalten 3 oder 7 Gew.-% Indium und dabei zusätzlich eher hohe Anteile an Aluminium und Mangan; sie enthalten ferner zumeist entweder 10 Gew.-% Zinn oder 5 Gew.-% Zink.
[0006] WO 2020/182845 A1, WO 2017/167441 A2, WO 2012/058628 A2 und US 2012/082588 A1 offenbaren eine Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung für die Herstellung von Wasserleitungen, mit jeweils Zink und Schwefel und weiteren Legierungselementen. Indium ist nicht genannt.
[0007] JP 2004 300568 A offenbart eine Kupfer-Silber-Palladium-Legierung mit 18 - 48,5 Gew.-% Silber, 1 - 8 Gew.-% Palladium und 0,5 - 3 Gew.-% Indium und Rest Kupfer.
[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Aspekten bei einer Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung weitgehend gerecht, ohne dass dem Ausgangsmaterial Blei zugegeben wird.
[0009] Diese Aufgabe wird durch eine bleifreie Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0010] 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.
[0011] 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 des schlechten Speisungsverhaltens einer zinkhaltigen Kupfer-Zinn Legierung in zufriedenstellenderer Weise gelöst werden. 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. Weiter wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass sich ein Teil des Indiums durch Zugabe von gegenüber Indium preiswerterem Schwefel gewissermaßen substituieren lässt und dass dennoch eine Verbesserung der Dichtspeisung und der Spanbarkeit erzielt werden kann. Allerdings kann eine Kombination von Indium und Schwefel zu einer Benetzung und Anhaftung an der Gießform führen, was unerwünscht ist. Daher wird die Summe des Anteils aus Indium und Schwefel auf 2,0 Gew.-% begrenzt.
Durch die Zugabe von Nickel kann die
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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 unkontrollierten Festigkeitsabfällen führen können. Daher wird der Mangan-Gehalt bis auf 0,5 Gew.-% begrenzt. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel wenigstens 0,6 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,7 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,8 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,9 Gew.-% insbesondere wenigstens 1,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 1,1 Gew.-%, besondere wenigstens 1,2 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 1,9 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,8 Gew.-%, insbesondere höchstens 1,7 Gew.-% beträgt.
[0015] 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.
[0016] Im Hinblick auf den Schwefelanteil erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 0,3 Gew.-%, insbesondere wenigstens 0,4 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 0,7 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,6 Gew.-% Schwefel umfasst.
[0017] Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 3,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 4,5, insbesondere wenigstens 5,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 5,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 6,0 Gew.-% und/oder höchstens 7,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 7 Gew.-% Zinn umfasst.
[0018] Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kupfer-Zinn-Stranggusslegierung wenigstens 2,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 2,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 3,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 3,5, insbesondere wenigstens 4,0 Gew.-% und/oder insbesondere höchstens 5,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 5,0 Gew.-% Zink umfasst.
[0019] Eine für die Herstellung von Trinkwasserarmaturen oder Trinkwasserverrohrung geeignete Stranggusslegierung umfasst 3,0 bis 5,0 Gew.-% Zinn und 1,5 - 3,0 Gew.-% Zink.
[0020] Eine für die Herstellung von sonstigen Armaturen, insbesondere Sanitärarmaturen und Sanitärverrohrung geeignete Stranggusslegierung umfasst 5,5 bis 8,0 Gew.-% Zinn und 2,0 - 5,0 Gew.-% Zink, wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink 8,0 - 12,0 Gew.-% beträgt.
[0021] Auch erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink wenigstens 8,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,0 Gew.-%, insbesondere wenigstens 9,5 Gew.-%, insbesondere wenigstens 10,0 Gew.-%, und/oder höchstens 11,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 11,0 Gew.-% beträgt.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
3,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
1,5 - 6,0 Gew.-% Zink,
0,1 - 1,8 Gew.-% Indium,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink 5,0 - 12,0 Gew.-% beträgt,
wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,5 - 2,0 Gew.-% beträgt,
und weiter gegebenenfalls umfassend folgende Legierungselemente
bis 0,20 Gew.-% Eisen,
bis 2,5 Gew.-% Nickel,
bis 0,30 Gew.-% Antimon,
bis 0,50 Gew.-% Mangan,
bis 0,3 Gew.-% Phosphor,
und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis
0,5 Gew.-%, und
Rest Kupfer.
3,0 - 8,0 Gew.-% Zinn,
1,5 - 6,0 Gew.-% Zink,
0,1 - 1,8 Gew.-% Indium,
0,2 - 0,8 Gew.-% Schwefel,
wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Zinn und Zink 5,0 - 12,0 Gew.-% beträgt,
wobei die Summe des gewichtsprozentualen Anteils von Indium und Schwefel 0,5 - 2,0 Gew.-% beträgt,
und weiter gegebenenfalls umfassend folgende Legierungselemente
bis 0,20 Gew.-% Eisen,
bis 2,5 Gew.-% Nickel,
bis 0,30 Gew.-% Antimon,
bis 0,50 Gew.-% Mangan,
bis 0,3 Gew.-% Phosphor,
und verunreinigungsbedingte Elemente jeweils bis höchstens 0,10 Gew.-% und in der Summe höchstens bis 0,5 Gew.-%, und
Rest Kupfer.
3.0 - 8.0 wt.% tin,
1.5 - 6.0 wt.% zinc,
0.1 - 1.8 wt.% indium,
0.2 - 0.8 wt.% sulfur,
wherein the sum of the weight percentage of tin and zinc is 5.0 - 12.0 wt.%,
wherein the sum of the weight percentage of indium and sulfur is 0.5 - 2.0 wt.%,
and further optionally comprising the following alloying elements
up to 0.20 wt.% iron,
up to 2.5 wt.% nickel,
up to 0.30 wt.% antimony,
up to 0.50 wt.% manganese,
up to 0.3 wt.% phosphorus,
and impurity-related elements in each case up to at most 0.10 wt.% and in total up to at most 0.5 wt.%, and
the remainder copper.
characterized in that the sum of the weight percentage of indium and sulfur is at least 0.6 wt.%, in particular at least 0.7 wt.%, in particular at least 0.8 wt.%, in particular at least 0.9 wt.%, in particular at least 1.0 wt.%, in particular at least 1.1 wt.%, particularly at least 1.2 wt.% and/or in particular at most 1.9 wt.%, in particular at most 1.8 wt.%, in particular at most 1.7 wt.%.
3.0 - 8.0 wt.% tin,
1.5 - 6.0 wt.% zinc,
0.1 - 1.8 wt.% indium,
0.2 - 0.8 wt.% sulfur,
wherein the sum of the weight percentage of tin and zinc is 5.0 - 12.0 wt.%,
wherein the sum of the weight percentage of indium and sulfur is 0.5 - 2.0 wt.%,
and further optionally comprising the following alloying elements
up to 0.20 wt.% iron,
up to 2.5 wt.% nickel,
up to 0.30 wt.% antimony,
up to 0.50 wt.% manganese,
up to 0.3 wt.% phosphorus,
and impurity-related elements in each case up to at most 0.10 wt.% and in total up to at most 0.5 wt.%, and
the remainder copper.
3,0 - 8,0 % en poids d'étain,
1,5 - 6,0 % en poids de zinc,
0,1 - 1,8 % en poids d'indium,
0,2 - 0,8 % en poids de soufre,
dans lequel la somme du pourcentage en poids d'étain et de zinc est de 5,0 à 12,0 % en poids,
dans lequel la somme du pourcentage en poids d'indium et de soufre est de 0,5 à 2,0 % en poids,
et comprenant en outre éventuellement les éléments d'alliage suivants
jusqu'à 0,20 % en poids de fer,
jusqu'à 2,5 % en poids de nickel,
jusqu'à 0,30 % en poids d'antimoine,
jusqu'à 0,50 % en poids de manganèse,
jusqu'à 0,3 % en poids de phosphore,
et des éléments liés aux impuretés, chacun jusqu'à 0,10 % en poids au plus et, au total, jusqu'à 0,5 % en poids au , et le reste étant du cuivre.
3,0 - 8,0 % en poids d'étain,
1,5 - 6,0 % en poids de zinc,
0,1 - 1,8 % en poids d'indium,
0,2 - 0,8 % en poids de soufre,
dans laquelle la somme du pourcentage en poids d'étain et de zinc est de 5,0 à 12,0 % en poids,
dans laquelle la somme du pourcentage en poids d'indium et de soufre est de 0,5 à 2,0 % en poids,
et comprenant en outre éventuellement les éléments d'alliage suivants
jusqu'à 0,20 % en poids de fer,
jusqu'à 2,5 % en poids de nickel,
jusqu'à 0,30 % en poids d'antimoine,
jusqu'à 0,50 % en poids de manganèse,
jusqu'à 0,3 % en poids de phosphore,
et des éléments liés aux impuretés, chacun jusqu'à 0,10 % en poids au plus et, au total, jusqu'à 0,5 % en poids au plus, et le reste étant du cuivre.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
- EP3736350A1 [0004]
- WO2020182845A1 [0006]
- WO2017167441A2 [0006]
- WO2012058628A2 [0006]
- US2012082588A1 [0006]
- JP2004300568A [0007]