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.