DE102006027844B4

DE102006027844B4 - Copper alloy based on copper and tin

Info

Publication number: DE102006027844B4
Application number: DE102006027844.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weber Kai
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2026-06-17
Also published as: DE102006027844A1

Abstract

Kupferlegierung auf der Basis von Kupfer und Zinn, bestehend aus (in Gew.-%):9,0 bis 14,0 % Sn,0,1 bis 0,6 % Cr und0,05 bis 0,6 % Si,wahlweise noch0,01 bis 4,0 % Ni,bis 0,3 % Fe,bis 0,2 % Zr,bis 0,1 % Pb,bis 6,0 % Zn,bis 0,25 % P,bis 0,08 % S,Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Gefüge elementare Chromausscheidungen und Chromsilizide aufweist.Copper alloy based on copper and tin, consisting of (in% by weight): 9.0 to 14.0% Sn, 0.1 to 0.6% Cr and 0.05 to 0.6% Si, optionally0 , 01 to 4.0% Ni, to 0.3% Fe, to 0.2% Zr, to 0.1% Pb, to 6.0% Zn, to 0.25% P, to 0.08% S , Remainder of copper and unavoidable impurities, the microstructure comprising elemental chromium precipitates and chromium silicides.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung auf der Basis von Kupfer und Zinn.The invention relates to a copper alloy based on copper and tin.

Infolge der stark zunehmenden Beanspruchung der Gleitlagerwerkstoffe in modernen Maschinen, Motoren und Aggregaten steigen die Anforderungen an die Eigenschaften der für einen Einsatz geeigneten Legierungen. Aus diesem Grunde besteht das Ziel, die komplexen Betriebseigenschaften der Lagerwerkstoffe weiterzuentwickeln. Dazu gehört einerseits die Erhöhung der Verschleißfestigkeit sowie in manchen Anwendungsbereichen die Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften. Andererseits muss die Gleitlagerlegierung hinreichend gute Notlaufeigenschaften besitzen, die dem Verschweißen der Lagerpartner entgegenwirken. Bisher werden für diese Zwecke bleihaltige Kupferlegierungen eingesetzt, die - auch wenn dies in der Sache oft als unbedenklich einzustufen ist - aufgrund ihres Bleigehaltes bezüglich der Umweltverträglichkeit zunehmend in Frage gestellt werden.As a result of the greatly increasing stress on the sliding bearing materials in modern machines, motors and units, the requirements for the properties of the alloys suitable for use increase. For this reason, the goal is to further develop the complex operating characteristics of the bearing materials. This includes, on the one hand, increasing the wear resistance and, in some applications, the improvement of the toughness properties. On the other hand, the plain bearing alloy must have sufficiently good emergency running properties, which counteract the welding of the bearing partners. So far, lead-containing copper alloys are used for these purposes, which - even if this is often classified as harmless in the matter - are increasingly questioned because of their lead content in terms of environmental impact.

Vorbekannt sind Mehrstoffbronzen auf der Basis von Kupfer und Zinn mit weiteren die Eigenschaften bestimmenden Bestandteilen. Aus der Druckschrift JP 2002302722 A ist eine Bronze bekannt, die einen Zinngehalt von 1,0 bis 15,0 % aufweist und 0,1 bis 8,0 % Nickel enthält. Weitere Legierungsbestandteile sind bis zu einem Gehalt von 25 % zumindest eines der Elemente Pb, Bi, Sb, Fe, AI, Si, Mn, Cr, Ti, Nb, Co, Mo, Zr, Mg und V in allgemein gehaltener Form genannt, ohne den jeweiligen Einfluss dieser Legierungsbestandteile näher zu erläutern.Multi-substance bronzes on the basis of copper and tin with further constituent components are previously known. From the publication JP 2002302722 A For example, a bronze is known which has a tin content of 1.0 to 15.0% and contains 0.1 to 8.0% nickel. Further alloy constituents are mentioned up to a content of 25% of at least one of the elements Pb, Bi, Sb, Fe, Al, Si, Mn, Cr, Ti, Nb, Co, Mo, Zr, Mg and V in a generally held form, without explain the respective influence of these alloy components in more detail.

Zudem ist aus der Druckschrift DE 41 03 963 A1 ein Verfahren zum kontinuierlichen Stranggießen von Kupferlegierungen bekannt. Die Kupferlegierungen bestehen aus 2 bis 40 % Ni, 2 bis 18 % Sn, Rest Cu und aus den weiteren Elementen mit einem Anteil unter 1 % Fe, Co, Mn, Zn, Zr, Cr, Mo, Nb.In addition, from the document DE 41 03 963 A1 a method for continuously casting copper alloys is known. The copper alloys consist of 2 to 40% Ni, 2 to 18% Sn, remainder Cu and of the other elements with a content of less than 1% Fe, Co, Mn, Zn, Zr, Cr, Mo, Nb.

Auch ist aus der Druckschrift DE 41 26 079 A1 ein Bandgießverfahren und aus der Druckschrift DE 42 01 065 A1 ein Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeugen aus Kupferlegierungen bekannt. Die im Zusammenhang mit den Herstellungsverfahren genannten Kupferlegierungen mit niedrigen Zinngehalt bestehen aus 1 bis 4 % Ni, 0,02 bis 0,8 % Si, Rest Cu und aus den weiteren Wahlelementen bis 1,5 % Sn, bis 0,8 % Cr. Alternativ sind auch Kupferlegierungen, bestehend aus 1 bis 11 % Sn, 0,01 bis 0,35 % P, Rest Cu und aus den weiteren Wahlelementen bis 2,5 % Ni, bis 0,5 % Cr genannt.Also is from the document DE 41 26 079 A1 a strip casting method and from the document DE 42 01 065 A1 a method for improving the bending fatigue strength of copper alloy semifinished known. The low-tin copper alloys mentioned in connection with the production process consist of 1 to 4% Ni, 0.02 to 0.8% Si, remainder Cu and of the further optional elements up to 1.5% Sn, up to 0.8% Cr. Alternatively, copper alloys consisting of 1 to 11% Sn, 0.01 to 0.35% P, remainder Cu and from the other optional elements to 2.5% Ni, to 0.5% called Cr.

Weitere Kupfer-Zinn-Legierungen sind aus der Druckschrift EP 1 063 311 B1 mit Zinngehalten über 12 Gew.-% bekannt, die mit Eisen und wahlweise mit weiteren Elementen beispielsweise für Schmuckgegenstände und Brillen Verwendung finden. Aufgrund der bereits bei der binären Legierung vorhandenen breiten Erstarrungsintervalle von Kupfer-Zinn-Legierungen ergeben sich durch Hinzufügen weiterer Elemente vielversprechende Eigenschaftskombinationen für unterschiedliche Einsatzgebiete der Technik.Other copper-tin alloys are from the document EP 1 063 311 B1 with tin contents above 12 wt .-%, which are used with iron and optionally with other elements, for example, for jewelry and glasses use. Due to the wide solidification intervals of copper-tin alloys already present in the case of the binary alloy, the addition of further elements results in promising combinations of properties for different fields of application of the technology.

Der Erfindung liegt so die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze so weiterzubilden, dass sie sich insbesondere für Gleitlageranwendungen sowie als Gleitlagerflächen in Verbundkomponenten eignet.The invention is based on the object, a copper-tin multi-fuel bronze educate so that it is particularly suitable for sliding bearing applications and as sliding bearing surfaces in composite components.

Die Erfindung wird bezüglich der Legierung durch die Merkmale des Anspruchs 1, eines Verfahrens zur Behandlung der Legierung durch die Merkmale des Anspruchs 6 sowie der Verwendung der Legierung durch die Ansprüche 10 und 11 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung wieder.The invention with respect to the alloy by the features of claim 1, a method for treating the alloy by the features of claim 6 and the use of the alloy is represented by the claims 10 and 11. The other dependent claims give advantageous embodiments and further developments of the invention.

Die Erfindung schließt die technische Lehre einer Kupferlegierung auf der Basis von Kupfer und Zinn ein, bestehend aus (in Gew.-%):

9,0 bis 14,0 % Sn,
0,1 bis 0,6 % Cr und
0,05 bis 0,6 % Si,
wahlweise noch
0,01 bis 4,0 % Ni,
bis 0,3 % Fe,
bis 0,2 % Zr,
bis 0,1 % Pb,
bis 6,0 % Zn,
bis 0,25 % P,
bis 0,08 % S,
Rest Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen,

wobei das Gefüge elementare Chromausscheidungen und Chromsilizide aufweist.The invention includes the technical teaching of a copper alloy based on copper and tin, consisting of (in% by weight):

9.0 to 14.0% Sn,
0.1 to 0.6% Cr and
0.05 to 0.6% Si,
optional
0.01 to 4.0% Ni,
up to 0.3% Fe,
up to 0.2% Zr,
to 0.1% Pb,
up to 6.0% Zn,
up to 0.25% P,
up to 0.08% S,
Remainder copper and unavoidable impurities,

wherein the microstructure comprises elemental chromium precipitates and chromium silicides.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze einen hohen Hartphasenanteil aufweist, der zu einer Verbesserung des Werkstoffwiderstandes gegen den abrasiven Verschleißmechanismus beiträgt. Außerdem bedingt der hohe Anteil an diskontinuierlichen Ausscheidungen und/oder Chrom- bzw. Nickelsiliziden aufgrund deren niedrigen Verschweißneigung eine bessere Beständigkeit gegen den adhäsiven Verschleiß. Als zusätzlicher legierungsseitiger Faktor zur Verbesserung der Gleit- und Notlaufeigenschaften im Mischreibungsgebiet dient der hohe Zinngehalt. Dieser ersetzt die günstige Wirkung des sonst verwendeten Bleis, welches zum Zwecke des Umweltschutzes in zukünftigen Entwicklungen ersetzt werden sollte.The invention is based on the consideration that the copper-tin multi-component bronze has a high hard phase content, which contributes to an improvement of the material resistance against the abrasive wear mechanism. In addition, the high proportion of discontinuous precipitates and / or chromium or nickel silicides due to their low Verschweißneigung better resistance to adhesive wear. The high tin content serves as an additional alloy-side factor for improving the sliding and emergency running properties in mixed friction areas. This replaces the favorable effect of the otherwise used lead, which should be replaced for the purpose of environmental protection in future developments.

Der hohe Zinngehalt der erfindungsgemäßen Kupferlegierung stellt besondere Anforderungen an die praktische Durchführung des Gießprozesses. So kann in Abhängigkeit des Gießverfahrens und des Kokillenmaterials eine Desoxydation der Schmelze durch den Zusatz von bis zu 0,25 % P notwendig sein. Damit wird die hinreichende Gießbarkeit der Kupferlegierung gewährleistet. Besonders für den kontinuierlichen Gießprozess an einer Stranggussanlage ist diese zusätzliche Legierungskomponente vorteilhaft. Die geschilderten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung werden durch den Phosphorzusatz wenig beeinflusst. Zudem wird mit dem Phosphorzusatz eine kompaktere Aufschmelzung auf Stahlkomponenten erzielt, wodurch die Druckfestigkeit des verschleißbeanspruchten Verbundes zunimmt.The high tin content of the copper alloy according to the invention makes special demands on the practical implementation of the casting process. Thus, depending on the casting process and the mold material, a deoxidation of the melt by the addition of up to 0.25% P may be necessary. This ensures the sufficient castability of the copper alloy. This additional alloying component is particularly advantageous for the continuous casting process on a continuous casting plant. The described properties of the copper alloy according to the invention are little influenced by the phosphorus addition. In addition, with the addition of phosphorus, a more compact melting is achieved on steel components, whereby the compressive strength of the wear-stressed composite increases.

Zum Zwecke der Gewichtsreduzierung bzw. zur Erhöhung der statischen und dynamischen Stabilität werden in zahlreichen Anwendungen die Kupferlegierungen nicht mehr in kompakter Bauform eingesetzt. Sie werden vielmehr als Verschleißschutzschichten auf die beanspruchten Maschinenteile aufgeschmolzen.For the purpose of weight reduction or to increase the static and dynamic stability of the copper alloys are no longer used in a compact design in many applications. They are rather melted as wear protection layers on the claimed machine parts.

Für diesen Einsatzfall eignet sich die Erfindung im besonderen Maße. Ein Grund hierfür ist die relativ niedrige Schmelztemperatur, die beispielsweise ein Aufschmelzen auf einen Stahlgrundkörper erleichtert. Neben der Senkung der Schmelztemperatur verursacht der hohe Legierungsanteil des Elementes Zinn eine durch Mischkristallverfestigung hervorgerufene Härtesteigerung, die durch das Vorhandensein von dendritischen Sn-reichen Gefügebestandteilen im Guss noch intensiviert wird. Somit wird dem Bestreben nach einer Erhöhung der Verschleißbeständigkeit entsprochen. Des Weiteren bedingt der hohe Zinngehalt eine abgesenkte Neigung der Legierung zur Gasaufnahme während des Schmelzprozesses. Hierdurch wird die Ausbildung einer offenen Porosität der Verschleißschutzschicht unterdrückt, wodurch die Druckfestigkeit des Bauteils erhöht wird. Die hinreichend hohe Druckfestigkeit stellt ein wesentliches Kriterium für die Eignung eines Lagerwerkstoffes dar.For this application, the invention is particularly suitable. One reason for this is the relatively low melting temperature, which facilitates, for example, melting on a steel base body. In addition to lowering the melting temperature, the high alloy content of the element tin causes an increase in hardness caused by solid solution hardening, which is further intensified by the presence of dendritic Sn-rich structural constituents in the casting. Thus, the desire for an increase in wear resistance is met. Furthermore, the high tin content causes a lowered inclination of the alloy for gas uptake during the melting process. As a result, the formation of an open porosity of the wear protection layer is suppressed, whereby the compressive strength of the component is increased. The sufficiently high compressive strength is an essential criterion for the suitability of a bearing material.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der Beständigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß. Ebenso weist die Legierung eine hohe Zugfestigkeit bei hinreichend guter Duktilität auf. Zudem lässt sich durch eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur die Legierung mit Stahlwerkstoffen gut kombinieren. Bei einer Verwendung als Gleitwerkstoff besitzt die Legierung mit dem Reibpartner gute Gleit- und Notlaufeigenschaften. Schon im Gusszustand liegt infolge der dendritenförmigen Ausscheidung der Sn-reichen Phasenbestandteile das Gefüge in heterogener Ausbildung vor. Solch einer Struktur wird allgemein eine hohe komplexe Verschleißbeständigkeit zugeschrieben.The advantages achieved by the invention are in particular the resistance to abrasive and adhesive wear. Likewise, the alloy has a high tensile strength with sufficiently good ductility. In addition, the alloy can be well combined with steel materials due to its comparatively low melting temperature. When used as a sliding material, the alloy with the friction partner has good sliding and emergency running properties. Already in the casting state, the microstructure in heterogeneous formation is due to the dendritic precipitation of the Sn-rich phase components. Such a structure is generally attributed a high complex wear resistance.

In bevorzugter Ausführungsform kann dazu die Kupferlegierung 10,0 bis 14,0 % Sn enthalten. Vorteilhafterweise kann die Kupferlegierung 11,0 bis 14,0 % Sn enthalten. Mit einem hohen Zinngehalt sinkt die Schmelztemperatur entsprechend, wodurch die Legierung geeignet ist, mittels nachfolgender Wärmebehandlung eine entsprechende Phasenbeschaffenheit für einen Einsatz als Gleitlagerwerkstoff auszubilden. Die effektive Homogenisierung von hochzinnhaltigen Bronzen mittels partieller Aufschmelzung ist in einer Veröffentlichung beschrieben. Die fein verteilten, sehr harten und Sn-reichen Gefügebestandteile tragen nach einer solchen Behandlung wesentlich zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bei. Durch die Wärmebehandlung kommt es außerdem zu einer signifikanten Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften, was für den Einsatz entsprechender Bauteile in Belastungskollektiven mit hauptsächlicher Schlagbeanspruchung sehr bedeutsam ist.In a preferred embodiment, the copper alloy may contain 10.0 to 14.0% Sn for this purpose. Advantageously, the copper alloy may contain 11.0 to 14.0% Sn. With a high tin content, the melting temperature decreases accordingly, whereby the alloy is suitable to form by means of subsequent heat treatment, a corresponding phase properties for use as a sliding bearing material. The effective homogenization of high-tin bronzes by means of partial melting is described in a publication. The finely divided, very hard and Sn-rich microstructural constituents contribute substantially to increasing the wear resistance after such a treatment. The heat treatment also significantly improves the toughness properties, which is very important for the use of corresponding components in stress collectors with primary impact load.

Gemäß der Erfindung enthält die Kupferlegierung 0,1 bis 0,6 % Cr. Zusätzlich zu dem hohen Zinngehalt vermindert der Chromanteil die Neigung der Schmelze zur Gasaufnahme. Chrom besitzt in der Mehrstoffbronze nicht die Fähigkeit zur Bildung intermetallischer Phasen und wird in metallischer Form ausgeschieden. Hierdurch werden die Poren wesentlich reduziert. According to the invention, the copper alloy contains 0.1 to 0.6% Cr. In addition to the high tin content, the chromium content reduces the tendency of the melt to gas uptake. Chromium does not have the ability to form intermetallic phases in the multi-metal bronze and is precipitated in metallic form. As a result, the pores are significantly reduced.

Auch das Legierungselement Chrom besitzt eine hohe Affinität zum Sauerstoff, wodurch wiederum besondere Anforderungen an die praktische Durchführung des Gießprozesses gestellt werden. So kann in Abhängigkeit des Gießverfahrens und des Kokillenmaterials eine Desoxydation der Schmelze durch den Zusatz von bis zu 0,25 % P notwendig sein. Damit wird die hinreichende Gießbarkeit der Kupferlegierung gewährleistet. Besonders für den kontinuierlichen Gießprozess an einer Stranggussanlage ist diese zusätzliche Legierungskomponente vorteilhaft.Also, the alloying element chromium has a high affinity for oxygen, which in turn make special demands on the practical implementation of the casting process. Thus, depending on the casting process and the mold material, a deoxidation of the melt by the addition of up to 0.25% P may be necessary. This ensures the sufficient castability of the copper alloy. This additional alloying component is particularly advantageous for the continuous casting process on a continuous casting plant.

Auch in diesem Falle werden die geschilderten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung durch den Phosphorzusatz kaum beeinflusst. Zudem wird mit dem Phosphorzusatz eine kompaktere Aufschmelzung auf Stahlkomponenten erzielt, wodurch die Druckfestigkeit des verschleißbeanspruchten Verbundes zunimmt. Bei Chromanteilen über 0,6 % verschlechtert sich die Gießbarkeit der Legierung.Also in this case, the described properties of the copper alloy according to the invention are hardly influenced by the phosphorus addition. In addition, with the addition of phosphorus, a more compact melting is achieved on steel components, whereby the compressive strength of the wear-stressed composite increases. At chromium levels above 0.6%, the castability of the alloy deteriorates.

Die vorbeschriebene Wirkung des Zusatzes von Chrom kann durch Zugabe von bis zu 0,2 % Zr verstärkt werden. Das Legierungselement Zirkonium setzt die Diffusionsgeschwindigkeit von Cr in der Mehrstoffbronze herab und behindert so die Ausscheidung des Chroms aus dem übersättigten Mischkristall. Dies führt neben einer Festigkeits- und Zähigkeitssteigerung zu einer Verdichtung der Schmelze, wodurch deren Fähigkeit zur Gasaufnahme weiter abgesenkt wird. Der Ausbildung einer unvorteilhaften offenen Porosität kann auf diesem Wege begegnet werden.The above-described effect of the addition of chromium can be enhanced by adding up to 0.2% Zr. The alloying element zirconium reduces the diffusion rate of Cr in the multi-material bronze and thus hinders the precipitation of chromium from the supersaturated solid solution. In addition to an increase in strength and toughness, this leads to a compression of the melt, which further reduces its ability to absorb gas. The formation of unfavorable open porosity can be countered in this way.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupferlegierung 2,5 bis 4,0 % Ni enthalten. Allgemein bekannt ist die Fähigkeit von Cu-Ni-Sn-Werkstoffen zur spinodalen Entmischung unter bestimmten thermischen Auslagerungsbedingungen. Demnach führt die Ausscheidung von modulierten Strukturen (kontinuierliche Ausscheidungen) aus dem übersättigten Mischkristall zu einer Festigkeits- und Härtesteigerung. Mit einem hohen Sn-Gehalt gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird das thermodynamische Gleichgewicht allerdings zugunsten von diskontinuierlichen Ausscheidungen verschoben, so dass es zur Bildung von zusätzlichen Hartteilchen im Gefüge der Mehrstoffbronze kommt.In a further preferred embodiment of the invention, the copper alloy may contain 2.5 to 4.0% Ni. The ability of Cu-Ni-Sn materials to spinodal segregation under certain thermal aging conditions is well known. Accordingly, the precipitation of modulated structures (continuous precipitations) from the supersaturated mixed crystal leads to a strength and hardness increase. With a high Sn content in accordance with the solution according to the invention, however, the thermodynamic equilibrium is shifted in favor of discontinuous precipitations, so that additional hard particles form in the microstructure of the multicomponent bronze.

Die Kupferlegierung enthält 0,1 bis 0,6 % Cr und 0,05 bis 0,6 % Si. Durch Siliciumzusatz können sich mit dem Chrom Silizide bilden, die als Hartteilchen zur Verschleißbeständigkeit der Legierung beitragen. Zudem können Chromsilizide je nach stöchiometrischer Zusammensetzung eine mikroskopisch feine Gestalt annehmen, so dass durch sie die thermische Stabilität des Bauteils aus einem solchen Material verbessert wird. Überschüssiges Chrom wird in der Legierung wiederum elementar ausgeschieden und liefert, neben dem Silizid, durch eine weitere Heterogenisierung des Gefüges einen weiteren Beitrag zur Verschleißbeständigkeit von Aggregaten aus der Mehrstoffbronze.The copper alloy contains 0.1 to 0.6% Cr and 0.05 to 0.6% Si. Silicon addition can form silicides with the chromium, which contribute as hard particles to the wear resistance of the alloy. In addition, chromium silicides may adopt a microscopically fine shape, depending on the stoichiometric composition, so that they improve the thermal stability of the component made of such a material. Excess chromium is again excreted elementarily in the alloy and, in addition to the silicide, further enhances the wear resistance of aggregates from the multi-material bronze by further heterogenizing the microstructure.

Das Legierungselement Silizium besitzt neben Chrom ebenfalls eine hohe Affinität zum Sauerstoff, wodurch gesteigerte Anforderungen an die praktische Durchführung des Gießprozesses gestellt werden. So genügt eine Desoxydation der Schmelze mit dem Element P nicht mehr. In Abhängigkeit des Gießverfahrens und des Kokillenmaterials erweist sich eine Desoxydation der Schmelze durch den Zusatz von bis zu 6,0 % Zn als vorteilhaft. Zink führt des Weiteren zu einer zusätzlichen Mischkristallverfestigung der Matrix. Allerdings beeinflusst dieser Zusatz kaum die Bildung der Chromsilizide und der Chromausscheidungen, wodurch die vorteilhaften Verschleißeigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung erhalten bleiben. Neben einer Verbesserung der Gießbarkeit der Kupferlegierung wird auch mit dem Zinkzusatz eine kompaktere Aufschmelzung auf Stahlkomponenten erzielt, wodurch die Druckfestigkeit des verschleißbeanspruchten Verbundes zunimmt. Besonders für den kontinuierlichen Gießprozess an einer Stranggussanlage ist diese zusätzliche Legierungskomponente vorteilhaft.In addition to chromium, the alloying element silicon also has a high affinity for oxygen, which places increased demands on the practical implementation of the casting process. Thus, a deoxidation of the melt with the element P is no longer sufficient. Depending on the casting process and the mold material, deoxidation of the melt by the addition of up to 6.0% Zn proves to be advantageous. Zinc also leads to additional solid solution hardening of the matrix. However, this addition hardly influences the formation of the chromium silicides and the chromium precipitates, whereby the advantageous wear properties of the copper alloy according to the invention are retained. In addition to improving the castability of the copper alloy, a more compact melting on steel components is also achieved with the addition of zinc, whereby the compressive strength of the wear-stressed composite increases. This additional alloying component is particularly advantageous for the continuous casting process on a continuous casting plant.

Die Kupferlegierung kann vorteilhafterweise 0,1 bis 2,5 % Ni und 0,15 bis 0,6 % Si enthalten. Hierdurch kommt es zusätzlich zur Ausscheidung von Nickelsiliziden. Bei dieser Lösung wird die hinreichende Gießbarkeit der Kupferlegierung wiederum durch den Zusatz von bis zu 0,25 % P gewährleistet.The copper alloy may advantageously contain 0.1 to 2.5% Ni and 0.15 to 0.6% Si. This results in addition to the excretion of nickel silicides. In this solution, the sufficient castability of the copper alloy is again ensured by the addition of up to 0.25% P.

Als weiterer Aspekt der Erfindung wird die aushärtbare Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze einer weiteren Behandlung unterzogen. Hierzu wird folgende Temperaturbehandlung durchgeführt:

- Lösungsglühen bei einer Temperatur zwischen 700 bis 860 °C
- nachfolgendes Auslagern bei einer Temperatur zwischen 350 bis 600 °C.

As a further aspect of the invention, the hardenable copper-tin multi-substance bronze is subjected to a further treatment. For this purpose, the following temperature treatment is carried out:

- Solution heat treatment at a temperature between 700 to 860 ° C
- subsequent aging at a temperature between 350 to 600 ° C.

Dies hat zur Folge, dass durch ein Lösungsglühen mit nachfolgendem Auslagern bei erhöhter Temperatur die Festigkeitseigenschaften signifikant verbessert werden können. Diese Eigenschaft der Aushärtungsfähigkeit kann besonders in Verbindung mit einem Aufschmelzen der Legierung auf andere Werkstoffe nutzbar gemacht werden. So liegen (DIN EN 10083-1) die Behandlungstemperaturen für Vergütungsstähle (Härten 820 bis 860°C, Anlassen 540 bis 660°C) in dem Wärmebehandlungsbereich der neuen Mehrstoffbronze (Lösungsglühen 780 bis 860°C, Auslagern 350 bis 600°C). Dies bedeutet, dass nach dem Aufschmelzen der Kupferlegierung auf einen Grundkörper aus Vergütungsstahl die Festigkeitseigenschaften beider Verbundpartner in nur einem Behandlungsschritt optimiert werden können.This has the consequence that the strength properties can be significantly improved by solution annealing with subsequent aging at elevated temperature. This curing capability can be exploited particularly in conjunction with melting the alloy to other materials. The treatment temperatures for tempered steels (hardening 820 to 860 ° C, tempering 540 to 660 ° C) are in the heat treatment range of the new multi-component bronze (solution annealing 780 to 860 ° C, aging 350 to 600 ° C). This means that after the melting of the copper alloy on a base body made of tempered steel, the strength properties of both composite partners can be optimized in just one treatment step.

Die erfindungsgemäße Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze lässt sich ausgehend vom Strangguss- oder Kokillengusszustand warm- und kaltumformen, wenn sie vor dem Warmumformen bei geeigneter Temperatur im Bereich von 700 bis 860 °C homogenisiert wird. Das auf diese Weise geknetete und zeilig verstreckte Gefüge weist gegenüber der gegossenen Struktur eine wesentlich höhere Zugfestigkeit auf. Die Aushärtungsbehandlung bei 350 bis 600°C nach der Formgebung optimiert in einem letzten Schritt die Verschleißfestigkeit der Bauteile aus der Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze.The copper-tin multicomponent bronze according to the invention can be hot and cold formed starting from the continuous casting or chill casting state, if it is homogenized before the hot forming at a suitable temperature in the range of 700 to 860 ° C. The kneaded in this way and zeilig stretched structure has compared to the cast structure to a much higher tensile strength. The curing treatment at 350 to 600 ° C after the molding optimizes in a final step, the wear resistance of the components made of the copper-tin multi-material bronze.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Legierung zwischen dem Lösungsglühen und dem nachfolgenden Auslagern mittels Luft oder Wasser beschleunigt abgekühlt werden.In a preferred embodiment of the invention, the alloy can be accelerated accelerated between the solution annealing and the subsequent aging by means of air or water.

Vorteilhafterweise beträgt die Behandlungsdauer beim Lösungsglühen 0,5 bis 12 Stunden. Vorteilhafterweise beträgt die Behandlungsdauer bei der nachfolgenden Glühbehandlung 1 bis 12 Stunden.Advantageously, the treatment time for solution annealing is 0.5 to 12 hours. Advantageously, the treatment duration in the subsequent annealing treatment is 1 to 12 hours.

So eignet sich die Legierung oder die der Temperaturbehandlung unterzogene Legierung zur Fertigung von Gleitlagerelementen oder für Gleitlagerflächen in Verbundkomponenten. Insbesondere bei Vollmaterialkomponenten eignet sich die erfindungsgemäße Legierung zur Anwendung als Gleitlagerbuchsen. Bei Gleitlagerflächen in Verbundkomponenten kommen insbesondere Steuerflächen in Axialkolbenmaschinen in Betracht.Thus, the alloy or the temperature-treated alloy is suitable for the production of sliding bearing elements or for sliding bearing surfaces in composite components. Especially with solid material components, the alloy according to the invention is suitable for use as plain bearing bushes. In slide bearing surfaces in composite components are in particular control surfaces in axial piston machines into consideration.

Zur Herstellung von beispielsweise Gleitlagerbuchsen ist eine erfindungsgerechte Lösungsglühung vorzunehmen. Nach anschließender Warm- und Kaltumformung erfolgt eine erfindungsgemäße Glühbehandlung, wodurch sich besonders die bruchmechanischen Eigenschaften und Verschleißeigenschaften des Bauteils an das jeweilige Einsatzgebiet anpassen lassen.For the production of, for example, plain bearing bushings, a solution solution according to the invention is to be carried out. After subsequent hot and cold forming an annealing treatment according to the invention, whereby in particular the fracture mechanical properties and wear properties of the component can be adapted to the particular application.

Für die Anwendung beispielsweise als Gleitlagerfläche auf einem Verbundbauteil wird die erfindungsgemäße Wärmebehandlung nach dem Aufschmelzen auf den Grundkörper durchgeführt. Auf diesem Wege ist eine beanspruchungsgerechte Eigenschaftsoptimierung des Gesamtbauteils möglich.For application, for example, as a sliding bearing surface on a composite component, the heat treatment according to the invention is carried out after melting on the base body. In this way, a claim-oriented property optimization of the entire component is possible.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand einiger Beispiele näher erläutert.Further embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to some examples.

Die aushärtbaren Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronzen weisen mit einem Cr-Gehalt von 0,1 bis 0,6 Gew.-% und einem zusätzlichen Ni-Gehalt von 2,5 bis 4,0 Gew.-% vor der weiteren Wärmebehandlung folgenden Gefügezustand auf:

a) bis 70 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 30 Volumen-% diskontinuierliche Ausscheidungen
c) bis 30 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen
d) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
e) Rest Kupfer-Mischkristall.

The curable copper-tin multi-substance bronzes with a Cr content of 0.1 to 0.6 wt .-% and an additional Ni content of 2.5 to 4.0 wt .-% prior to further heat treatment, the following structural state :

a) up to 70% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 30% by volume of discontinuous precipitates
c) up to 30% by volume of continuous precipitates
d) up to 30% by volume of chromium precipitates
e) balance copper mixed crystal.

Nach der Durchführung einer weiteren Wärmebehandlung mit einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 780 bis 860 °C und 1 bis 6 Stunden, einer Luft- oder Wasserabkühlung mit einer nachfolgenden Glühbehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 600°C und 1 bis 6 Stunden kommt es zu folgender Phasenzusammensetzung:

a) bis 40 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 70 Volumen-% diskontinuierliche Ausscheidungen
c) bis 30 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen
d) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
e) Rest Kupfer-Mischkristall.

After carrying out another heat treatment with a solution annealing at a temperature of 780 to 860 ° C and 1 to 6 hours, an air or water cooling with a subsequent annealing at a temperature of 350 to 600 ° C and 1 to 6 hours it comes to following phase composition:

a) up to 40% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 70% by volume of discontinuous precipitates
c) up to 30% by volume of continuous precipitates
d) up to 30% by volume of chromium precipitates
e) balance copper mixed crystal.

Die aushärtbaren Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronzen weisen mit einem Cr-Gehalt von 0,1 bis 0,6 Gew.-% und einem zusätzlichen Si-Gehalt von 0,05 bis 0,6 Gew.-% vor der weiteren Wärmebehandlung folgenden Gefügezustand auf:

a) bis 70 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 30 Volumen-% Chromsilizide
c) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
d) Rest Kupfer-Mischkristall.

The curable copper-tin multi-substance bronzes with a Cr content of 0.1 to 0.6 wt .-% and an additional Si content of 0.05 to 0.6 wt .-% before the further heat treatment following microstructure :

a) up to 70% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 30% by volume of chromium silicides
c) up to 30% by volume of chromium precipitates
d) balance copper mixed crystal.

Nach der Durchführung einer weiteren Wärmebehandlung mit einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 780 bis 860°C und 1 bis 6 Stunden, einer Luft- oder Wasserabkühlung mit einer nachfolgenden Glühbehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 600 °C und 1 bis 6 Stunden kommt es zu folgender Phasenzusammensetzung:

a) bis 40 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 30 Volumen-% Chromsilizide
c) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
d) Rest Kupfer-Mischkristall.

a) up to 40% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 30% by volume of chromium silicides
c) up to 30% by volume of chromium precipitates
d) balance copper mixed crystal.

Durch einen zusätzlichen Si-Gehalt von 0,15 bis 0,6 Gew.-% bei einem verminderten Ni-Gehalt bis maximal 2,5 Gew.-% tritt vor der weiteren Wärmebehandlung folgender Gefügezustand auf:

a) bis 70 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 15 Volumen-% diskontinuierliche Ausscheidungen
c) bis 5 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen
d) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
e) bis 20 Volumen-% Chromsilizide
f) bis 20 Volumen-% Nickelsilizide.
g) Rest Kupfer-Mischkristall.

By an additional Si content of 0.15 to 0.6 wt .-% at a reduced Ni content up to a maximum of 2.5 wt .-% occurs before the further heat treatment, the following microstructure:

a) up to 70% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 15% by volume of discontinuous precipitates
c) up to 5% by volume of continuous precipitates
d) up to 30% by volume of chromium precipitates
e) up to 20% by volume of chromium silicides
f) up to 20% by volume of nickel silicides.
g) balance copper mixed crystal.

Nach der Durchführung einer weiteren Wärmebehandlung mit einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 780 bis 860°C und 1 bis 6 Stunden, einer Luft- oder Wasserabkühlung mit einer nachfolgenden Glühbehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 600°C und 1 bis 6 Stunden kommt es zu folgender Phasenzusammensetzung:

a) bis 40 Volumen-% hoch zinnhaltige Gefügebereiche
b) bis 30 Volumen-% diskontinuierliche Ausscheidungen
c) bis 15 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen
d) bis 30 Volumen-% Chrom-Ausscheidungen
e) bis 40 Volumen-% Chromsilizide
f) bis 40 Volumen-% Nickelsilizide.
g) Rest Kupfer-Mischkristall.

a) up to 40% by volume of high tin-containing microstructures
b) up to 30% by volume of discontinuous precipitates
c) up to 15% by volume of continuous precipitates
d) up to 30% by volume of chromium precipitates
e) up to 40% by volume of chromium silicides
f) up to 40% by volume of nickel silicides.
g) balance copper mixed crystal.

Durch Kokillenguss wurden beispielhaft Gussbolzen aus der Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze gemäß den Zusammensetzungen der Tabellen 1 und 2 hergestellt. Tab. 1: Chemische Zusammensetzung der Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze (Leg. A) Element Cu Sn Ni Cr Zn Fe P S Gehalt [%] Rest 11,8 2,8 0,3 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 Tab. 2: Chemische Zusammensetzung der Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronze (Leg. B) Element Cu Sn Cr Si Zn Fe P S Gehalt [%] Rest 13,3 0,28 0,1 < 0,01 < 0,01 < 0,03 < 0,03 By gravity casting, casting bolts made of the copper-tin multicomponent bronze according to the compositions of Tables 1 and 2 were produced by way of example. Tab. 1: Chemical composition of the copper-tin multi-substance bronze (Leg. A) element Cu sn Ni Cr Zn Fe P S Salary [%] rest 11.8 2.8 0.3 <0.03 <0.03 <0.03 <0.03 Tab. 2: Chemical composition of the copper-tin multi-substance bronze (Leg. B) element Cu sn Cr Si Zn Fe P S Salary [%] rest 13.3 0.28 0.1 <0.01 <0.01 <0.03 <0.03

Aus der Tab. 3 gehen die mechanischen Werkstoffkennwerte sowie die Liquidustemperatur der jeweiligen Gussbronze hervor. Anschließend wurden die Gussbolzen einer Lösungsglühung (840 °C, 1,5 Stunden), einer Wasserabkühlung und einer Auslagerung (580 °C, 3 Stunden) unterzogen. Die resultierenden Kennwerte sind ebenfalls in Tab. 3 dargestellt. Tabelle 3: Mechanische Kennwerte und Liquidustemperatur der Kupfer-Zinn-Mehrstoffbronzen gemäß Tab. 1 und 2: Bronze Zustand R_m R_p0,2 A5 HB T_Liquid. [MPa] [MPa] [%] 2,5/62,5 [°C] A Guss 350 240 9 130 1002 wärmebeh. 478 253 10 141 ∼ B Guss 360 202 16 115 987 wärmebeh. 380 190 31 130 ∼ Tab. 3 shows the mechanical material properties as well as the liquidus temperature of the respective cast bronze. Subsequently, the cast bolts were subjected to solution annealing (840 ° C, 1.5 hours), water cooling and aging (580 ° C, 3 hours). The resulting characteristic values are also shown in Tab. Table 3: Mechanical characteristics and liquidus temperature of the copper-tin multi-substance bronzes according to Tab. 1 and 2: bronze Status R _m R _p0,2 A5 HB T _Liquid. [MPa] [MPa] [%] 2.5 / 62.5 [° C] A molding 350 240 9 130 1002 wärmebeh. 478 253 10 141 ~ B molding 360 202 16 115 987 wärmebeh. 380 190 31 130 ~

Wie in der Tab. 3 aufgezeigt, sind innerhalb der Legierungsgrenzen der Erfindung unterschiedliche Eigenschaftskombinationen und Liquidustemperaturen möglich. Somit können besonders die Härte HB, die Zugfestigkeit R_m und die Bruchdehnung A5, welche als Maß für die Zähigkeitseigenschaften angesehen werden kann, speziell an das Einsatzgebiet (Reibungs- oder Schlagbeanspruchung) angepasst werden.As shown in Tab. 3, different property combinations and liquidus temperatures are possible within the alloy limits of the invention. Thus, especially the hardness HB, the tensile strength R _m and the elongation at break A5, which can be regarded as a measure of the toughness properties, can be adapted especially to the field of application (friction or impact stress).

Claims

Copper alloy based on copper and tin, consisting of (in% by weight): 9.0 to 14.0% Sn, 0.1 to 0.6% Cr and 0.05 to 0.6% Si, optional 0.01 to 4.0% Ni, up to 0.3% Fe, up to 0.2% Zr, to 0.1% Pb, up to 6.0% Zn, up to 0.25% P, up to 0.08% S, Remainder of copper and unavoidable impurities, the microstructure comprising elemental chromium precipitates and chromium silicides.

Copper alloy after Claim 1 , characterized in that 10.0 to 14.0% Sn is included.

Copper alloy after Claim 2 , characterized in that 11.0 to 14.0% Sn is included.

Copper alloy according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that 2.5 to 4.0% Ni are included.

Copper alloy according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that 0.1 to 2.5% Ni and 0.15 to 0.6% Si are included.

Process for the treatment of copper alloy according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the following temperature treatment is carried out: - Solution heat treatment at a temperature between 700 to 860 ° C - subsequent aging at a temperature between 350 to 600 ° C.

Method according to Claim 6 , characterized in that the alloy is accelerated cooled between the solution annealing and the subsequent aging.

Method according to Claim 6 or 7 , characterized in that the treatment time during solution annealing is 0.5 to 12 hours.

Method according to one of Claims 6 to 8th , characterized in that the treatment time in the subsequent annealing treatment is 1 to 12 hours.

Use of the copper alloy according to any one of the preceding Claims 1 to 5 For the production of plain bearing elements or for sliding bearing surfaces in composite components.

Use of the copper alloy according to any one of the preceding Claims 1 to 5 after additional application of the treatment method according to the above Claims 6 to 9 For the production of plain bearing elements or for sliding bearing surfaces in composite components.