EP3485051B1 - Copper-nickel-tin alloy, method for the production and use thereof - Google Patents
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- EP3485051B1 EP3485051B1 EP17736569.9A EP17736569A EP3485051B1 EP 3485051 B1 EP3485051 B1 EP 3485051B1 EP 17736569 A EP17736569 A EP 17736569A EP 3485051 B1 EP3485051 B1 EP 3485051B1
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- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
Definitions
- the invention relates to a copper-nickel-tin alloy with excellent castability, hot workability and cold workability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance according to the preamble of one of claims 1 or 2, a method their production according to the preamble of claims 9 or 10 and their use according to the preamble of claims 16 to 18.
- the binary copper-tin alloys Due to their good strength properties, their good corrosion resistance and conductivity for heat and electricity, the binary copper-tin alloys are of great importance in mechanical engineering and vehicle construction as well as in many areas of electronics and electrical engineering.
- This group of materials has a high resistance to abrasive wear.
- the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which is why they are extremely suitable for sliding elements in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering.
- the copper-nickel-tin alloys have compared to the binary copper-tin materials improved mechanical properties such as hardness, tensile strength and yield point.
- the increase in the mechanical characteristics is achieved through the hardenability of the Cu-Ni-Sn alloys.
- the precipitation processes are essential for the adjustment of the properties of this group of materials.
- These copper alloys also include the copper-nickel-tin materials. Therefore, to ensure cold working of the as-cast condition of such alloys, a strip casting process with precise control of the solidification rate of the melt is recommended.
- Dynamic friction wear also known as fretting in technical terms, is friction wear that occurs between oscillating contact surfaces.
- fretting In addition to the geometric wear or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion.
- the damage to the material can significantly reduce the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Fatigue cracks can emanate from the damaged component surface, leading to fatigue fractures/friction fractures. In the case of fretting corrosion, the fatigue strength of a component can fall well below the fatigue limit value of the material.
- the mechanism of oscillating friction wear is significantly different from the types of sliding wear with unidirectional movement.
- the effects of corrosion are particularly pronounced in the case of dynamic friction wear.
- connection elements In motors and machines, electrical connectors are often placed in an environment in which they are subjected to mechanical vibrational movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which, as a result of mechanical loads, carry out movements relative to one another, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to oscillating wear and fretting corrosion of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. A failure of the connector due to fatigue fracture can be the result. Furthermore, due to the fretting corrosion, there is an increase in the contact resistance.
- a combination of the material properties of wear resistance, ductility and corrosion resistance is therefore decisive for sufficient resistance to dynamic friction wear/fretting corrosion/fretting.
- the teaching disclosed in this publication specifies a particularly high P content of 0.2 to 0.6% by weight with a mandatory Si content of the alloy of 0.05 up to 0.15% by weight. This underlines the superficial demand for the self-flowing properties of the material. With this high P content, the hot workability of the alloy will be poor and the spinodal segregability of the structure will be insufficient.
- the size of the hard particles precipitated in a copper-based alloy has a major impact on its wear resistance.
- the element tin is not contained in this material. This material is applied to a suitable substrate by build-up welding as a wear protection layer.
- the pamphlet U.S. 5,004,581A describes the same copper alloy as the previous one U.S. 4,818,307 A with an additional content of tin in the content range of 5 to 15% by weight and/or of zinc in the content range of 3 to 30% by weight.
- the addition of Sn and/or zinc in particular increases the material's resistance to adhesive wear.
- This material is also applied to a suitable substrate as a wear-resistant layer by means of build-up welding.
- the copper alloy according to the publications U.S. 4,818,307 A and U.S. 5,004,581A due to the required size of the silicide formations/boride formations of the elements nickel and iron of 5 to 100 ⁇ m only have a very limited cold formability.
- the publication discloses a precipitation-hardenable copper-nickel-tin alloy U.S. 5,041,176 A out.
- This copper base alloy contains 0.1 to 10 wt% Ni, 0.1 to 10 wt% Sn, 0.05 to 5 wt% Si, 0.01 to 5 wt% Fe and 0.0001 to 1 % by weight of boron.
- This material contains dispersely distributed intermetallic phases of the Ni-Si system.
- the properties of the alloy are also explained using exemplary embodiments that have no Fe content.
- alloying elements Zn, Mn, Mg, P and B are added to the melt of the alloy for deoxidation.
- the elements Ti, Cr, Zr, Fe and Co have a grain-refining and strength-enhancing function.
- alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus By alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus, the reduction in processing technology, which is important high base melting temperature. This is why these alloying additions are used in particular in the field of wear-resistant coating materials and high-temperature materials, which include, for example, the alloys of the Ni-Si-B and Ni-Cr-Si-B systems. In these materials, the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the strong reduction in the melting temperature of hard nickel-based alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-based alloys becomes possible.
- the silicon borides which are mostly present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and/or SiB n determined by the boron content, differ significantly from silicon in their properties. These silicon borides have a metallic character, which is why they are electrically conductive. They have an extraordinarily high temperature resistance and oxidation resistance.
- the modification of SiB 6 which is preferred for sintered products, is used, for example, in the manufacture and processing of ceramics because of its very high hardness and its high abrasive wear resistance.
- the usual wear-resistant hard alloys for surface coating consist of a relatively ductile matrix of the metals iron, cobalt and nickel with embedded silicides and borides as hard particles ( Knotek, O.; Lugscheider, E.; Reimann, H.: A contribution to the assessment of wear-resistant nickel-boron-silicon hard alloys. Journal of Materials Engineering 8 (1977) 10, pp. 331-335 ).
- the wide use of hard alloys of the Ni-Cr-Si, Ni-Cr-B, Ni-B-Si and Ni-Cr-B-Si systems is based on the increase in wear resistance caused by these hard particles.
- the Ni-B-Si alloys also contain the borides Ni 3 B and the Ni-Si borides/Ni silicoborides Ni 6 Si 2 B.
- a certain inertia is also reported of silicide formation in the presence of the element boron.
- Further investigations of the alloy system Ni-B-Si led to the detection of the high-melting Ni-Si borides Ni 6 Si 2 B and Ni 4.29 Si 2 B 1.43 ( Lugscheider, E.; Reimann, H.; Knotek, O.: The ternary system nickel-boron-silicon.
- the element zinc is added to copper-nickel-tin alloys to lower the metal price. Functionally, the alloying element zinc causes the stronger formation of Sn-rich or Ni-Sn-rich phases from the melt. In addition, zinc increases the formation of precipitates in the Cu-Ni-Sn spinodal alloys.
- a certain Pb content is added to the copper-nickel-tin alloys to improve the emergency running properties and for better machinability.
- the invention is based on the object of providing a high-strength copper-nickel-tin alloy which has excellent hot workability over the entire range of the nickel content and tin content of 2 to 10% by weight in each case. It should be possible to use a starting material for hot forming that has been produced by means of conventional casting processes without the absolute necessity of carrying out spray compacting or thin-strip casting.
- the copper-nickel-tin alloy After casting, the copper-nickel-tin alloy should be free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the tin-enriched phase components.
- the structure of the copper-nickel-tin alloy should already contain intermetallic phases after casting. This is important so that the alloy already has high strength, high hardness and sufficient wear resistance in the cast state.
- the as-cast state should already be characterized by high corrosion resistance.
- the as-cast state of the copper-nickel-tin alloy should not first have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot workability.
- a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear which includes at least one annealing or at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing, a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear.
- the invention is represented by the features of one of claims 1 or 2 in relation to a copper-nickel-tin alloy, by the features of claims 9 or 10 in relation to a production method and by the features of claims 16 to 18 in relation to a use.
- the further dependent claims relate to advantageous configurations and developments of the invention.
- the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the cast structure of the alloy.
- Segregations of this type are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the cast structure, which are formed as grain boundary segregations which, when the casting is subjected to thermal and/or mechanical stress, cause damage to the structure in the form of cracks that can lead to fracture.
- the structure is still free of gas pores, shrinkage pores, stress cracks and discontinuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system.
- the alloy is in the as-cast state.
- the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
- the structure is free of segregation.
- segregations are accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the structure, which are formed as grain boundary segregations, which damage the structure in cause cracks that can lead to breakage.
- the structure of the alloy is free of gas pores, shrinkage pores and stress cracks. It should be emphasized as an essential feature of the invention that the microstructure in the further processed state is free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system.
- the alloy is in the processed state.
- the invention is based on the consideration that a copper-nickel-tin alloy with Si-containing and B-containing phases and with phases of the systems Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Mg-P, Ni-Si, Mg-Si and is provided with other Fe-containing phases and Mg-containing phases.
- These phases significantly improve the processing properties castability, hot workability and cold workability.
- these phases improve the performance of the alloy by increasing strength and resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear.
- These phases additionally improve corrosion resistance and stress relaxation resistance as other performance properties of the invention.
- the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be produced by means of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process, lost foam process and permanent mold casting process or with the aid of continuous or semi-continuous casting method are produced.
- the use of process-technically complex and cost-intensive primary shaping techniques is possible, it is not mandatory for the production of the copper-nickel-tin alloy according to the invention Necessity.
- the use of spray compacting or thin strip casting can be dispensed with.
- the cast shapes of the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be hot-formed directly over the entire range of Sn content and Ni content, for example by hot rolling, extrusion or forging, without carrying out a homogenization anneal that is absolutely necessary.
- no complex forging processes or upsetting processes have to be carried out at elevated temperature in order to weld, ie close, pores and cracks in the material. This largely eliminates the processing restrictions that previously existed in the manufacture of semi-finished products and components made of copper-nickel-tin alloys.
- the metallic matrix of the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in the as-cast state with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process, from increasing proportions of tin-enriched phases, which are distributed evenly in the copper mixed crystal ( ⁇ -phase). are.
- phase components can be specified with the molecular formula Cu h Ni k Sn m and have a ratio (h+k)/m of the element content in atom % of 2 to 6.
- the second phase components can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and have a ratio (p+r)/s of the element content in atom % of 10 to 15.
- the alloy according to the invention is characterized by Si-containing and B-containing Phases that can be divided into two groups.
- the first group relates to the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n .
- the "n" in the compound SiB n indicates the high solubility of the element boron in the silicon lattice.
- the second group of Si-containing and B-containing phases relates to the silicate compounds of borosilicates and/or borophosphorus silicates.
- the structural proportion of the Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides and borosilicates and/or borophosphorus silicates, is a minimum of 0.01 and a maximum of 10% by volume.
- the Ni-Si borides and the Ni borides are each contained in the structure at 1 to 15% by volume.
- the Ni phosphides and Ni silicides are each present with a structural proportion of 1 to 5% by volume.
- the Fe borides, Fe phosphides, Mg phosphides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles each account for 0.1 to 5% by volume of the structure.
- the Mg silicides and the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases are each present in the structure with 0.1 to 5% by volume.
- crystallization nuclei These phases are referred to below as crystallization nuclei.
- the element tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents of the metallic matrix preferentially crystallize in the regions of the nuclei, whereby the nuclei are coated by tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents.
- Hard particles This encased by tin and / or the first phase components and / or the second phase components nuclei are hereinafter referred to as Hard particles called first class.
- the hard particles of the first class have a size of less than 80 ⁇ m.
- the size of the first-class hard particles is less than 50 ⁇ m.
- the island-like arrangement of the first phase components and/or the second phase components changes into a network-like arrangement in the structure.
- the first phase components can have a proportion of up to 30% by volume.
- the second phase components take on a structural proportion of up to 20% by volume.
- the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the as-cast structure of the alloy.
- the conventional copper-nickel-tin alloys have a relatively large solidification interval. This large solidification interval increases the risk of gas absorption during casting and causes uneven, coarse, mostly dendritic crystallization of the melt. The result is often gas pores and coarse Sn-rich segregations, at the phase boundary of which shrinkage pores and stress cracks often occur. In this group of materials, the Sn-rich segregations also occur preferentially at the grain boundaries.
- the combined content of boron, silicon and phosphorus activates various processes in the melt of the alloy according to the invention, which significantly change its solidification behavior compared to conventional copper-nickel-tin alloys.
- the elements boron, silicon and phosphorus perform a deoxidizing function in the melt of the invention.
- By adding boron and silicon it is possible to reduce the phosphorus content without reducing the intensity of the deoxidation of the melt.
- This measure makes it possible to suppress the disadvantageous effects of sufficient deoxidation of the melt by means of a phosphorus additive.
- a high P content would further extend the already very large solidification interval of the copper-nickel-tin alloy, which would increase the susceptibility to porosity and segregation of this type of material.
- the adverse effects of adding phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy of the present invention to the range of 0.004 to 0.3 wt%.
- the cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the individual phase components.
- segregations enriched with tin do not occur in the alloy according to the invention, particularly at the grain boundaries.
- the elements boron, silicon and phosphorus bring about a reduction in the metal oxides.
- the elements are oxidized themselves, mostly rise to the surface of the castings and form there as boron silicates and/or boron phosphorus silicates as well as phosphorus silicates a protective layer that protects the castings from gas absorption.
- Extraordinarily smooth surfaces of the castings made from the alloy according to the invention were found, which indicate the formation of such a protective layer.
- the structure of the as-cast state of the invention was also free of gas pores over the entire cross-section of the cast parts.
- a basic idea of the invention is the transfer of the effect of boron silicates, boron phosphorus silicates and phosphorus silicates with regard to the adjustment of the different thermal expansion coefficients of the joining partners during diffusion soldering to the processes during casting, hot forming and thermal treatment of the copper-nickel-tin materials. Due to the wide solidification interval of these alloys, large mechanical stresses occur between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich structural areas, which can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage characteristics can also occur during hot forming and high-temperature annealing of copper-nickel-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich microstructure components.
- the combined addition of boron, silicon and phosphorus to the copper-nickel-tin alloy according to the invention causes, on the one hand, a structure with a uniform island-like and/or network-like distribution of the first phase components and/or the second phase components during the solidification of the melt by means of the effect of the crystallization nuclei phase components of metallic matrix.
- the Si-containing and B-containing phases formed during solidification of the melt which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, ensure, together with the phosphorus silicates, the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the first phase components and/or the second Phase components and the copper mixed crystal of the metallic matrix. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.
- the alloy content of the copper-nickel-tin alloy according to the invention also causes a significant change in the grain structure in the cast state. It could be determined that a substructure with a grain size of the subgrains of less than 30 ⁇ m is formed in the primary cast structure.
- the alloy according to the invention can be subjected to further processing by annealing or by hot working and/or cold working in addition to at least one annealing.
- One possibility for further processing of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in converting the castings into the final shape with the required properties by means of at least one cold forming together with at least one annealing.
- the alloy according to the invention already has high strength in the cast state. As a result, the castings have lower cold formability, which makes further processing more difficult. For this reason, carrying out a homogenization annealing of the castings before cold forming has proved to be a good idea proven beneficial.
- accelerated cooling after the homogenization annealing processes has proven to be advantageous. It has been shown that due to the inertia of the precipitation mechanisms and segregation mechanisms, cooling methods with a lower cooling rate can be used in addition to water quenching. The use of accelerated air cooling has thus proven to be just as practicable in order to sufficiently reduce the effect of the precipitation processes and demixing processes in the structure, which increase hardness and increase strength, during the homogenization annealing of the invention.
- the outstanding effect of the crystallization nuclei for the recrystallization of the structure of the invention can be seen in the structure, which can be adjusted after cold forming by means of annealing in the temperature range from 170 to 880° C. and an annealing time of between 10 minutes and 6 hours.
- the extraordinarily fine structure of the recrystallized alloy enables further cold forming steps with a degree of forming ⁇ of mostly over 70%. In this way, extremely high-strength states of the alloy can be produced.
- the level of the parameter R p0.2 is significant for the sliding elements and guide elements. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.
- the structure of the alloy according to the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, regardless of the degree of cold working. It was thus possible to establish for particularly advantageous embodiments of the invention that the microstructure of the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system even with extremely small degrees of cold deformation of less than 20%.
- the conventional, spinodally separable Cu-Ni-Sn materials are considered to be very difficult or impossible to hot-work.
- the effect of the crystallization nuclei could also be observed during the process of hot working the copper-nickel-tin alloy according to the invention.
- the crystallization nuclei are primarily to be held responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during hot forming of the alloy according to the invention in the temperature range from 600 to 880.degree. This results in a further increase in the uniformity and fine-grained structure.
- the semi-finished products and components can be cooled after hot forming in calmed or accelerated air or with water.
- an extraordinarily smooth surface of the parts could also be determined after the hot forming of the castings.
- Si-containing and B-containing phases which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and of phosphorus silicates, which takes place in the material during hot forming.
- the silicates, together with the crystallization nuclei, also cause the different thermal expansion coefficients of the phases of the metallic matrix of the invention to be equalized during hot working.
- the surface of the hot-formed parts and the structure were free of cracks and pores, just as they were after casting.
- At least one annealing treatment of the cast state and/or the hot-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 170 to 880°C for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
- One aspect of the invention relates to an advantageous method for further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed as-cast state or the annealed hot-formed state, which comprises carrying out at least one cold-forming step.
- At least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can preferably be carried out in the temperature range from 170 to 880° C. for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
- Stress relief annealing/ageing annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 170 to 550° C. with a duration of 0.5 to 8 hours.
- crystallization nuclei encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, are referred to below as second-class hard particles.
- the size of the second-class hard particles decreases in comparison to the size of the first-class hard particles.
- there is progressive comminution of the hard particles of the second class since these, as the hardest components of the alloy, cannot support the change in shape of the surrounding metallic matrix.
- the resulting second-class hard particles and/or the resulting segments of the second-class hard particles have a size of less than 40 ⁇ m to even less than 5 ⁇ m, depending on the degree of cold forming.
- the Ni content and the Sn content of the invention range between 2.0 and 10.0% by weight.
- a Ni content and/or a Sn content of less than 2.0% by weight would result in insufficient strength and hardness values.
- the running properties of the alloy would be insufficient under a sliding load.
- the alloy's resistance to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements.
- With a Ni content and/or a Sn content of more than 10.0% by weight the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load capacity of the components made from the material is reduced.
- the content of nickel and tin in the range of 3.0 to 9.0 wt. In this respect, the range of 4.0 to 8.0% by weight each for the content of the elements nickel and tin is particularly preferred for the invention.
- Ni-containing and Sn-containing copper materials that the degree of spinodal segregation of the structure increases with an increasing Ni/Sn ratio of the element contents in % by weight of the elements nickel and tin. This is valid for a Ni content and a Sn content from about 2% by weight.
- the mechanism of precipitation formation in the (Cu,Ni)-Sn system becomes more important, which leads to a reduction in the proportion of the spinodally segregated microstructure.
- One consequence is, in particular, a more pronounced formation of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system as the Ni/Sn ratio decreases.
- One of the essential features of the copper-nickel-tin alloy according to the invention is the decisive suppression of the influence of the Ni/Sn ratio on the formation of discontinuous precipitations in the structure.
- the microstructure of the invention largely independent of the Ni/Sn ratio and independent of the aging conditions, there is no precipitation of discontinuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system.
- the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
- the element iron is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 1.0% by weight. Iron contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the fine-grain formation of the structure during the casting process.
- the Fe-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Fe content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are only observed to an insufficient extent. If the Fe content exceeds 1.0% by weight, the structure increasingly contains cluster-like accumulations of Fe-rich particles. The Fe content of these clusters would only be available to a lesser extent for the formation of crystallization nuclei and hard particles. In addition, the toughness properties of the invention would deteriorate. An Fe content of 0.02 to 0.6% by weight is advantageous. An Fe content in the range from 0.06 to 0.4% by weight is preferred.
- Ni-Fe-Si borides Due to the similarity relationship between the elements nickel and iron, Fe-Si borides and/or Ni-Fe-Si borides can also form in the structure of the alloy according to the invention in addition to the Ni-Si borides.
- the structure of the invention also contains other Fe-containing phases.
- these other Fe-containing phases are present as Fe silicides and/or as Fe-rich particles structure.
- the element magnesium is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 0.8% by weight.
- Magnesium contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the uniform formation of the structure during the casting process.
- the Mg-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Mg content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are observed to an insufficient extent. When the Mg content exceeds 0.8% by weight, castability of the alloy deteriorates. In addition, the toughness properties of the alloy would deteriorate.
- An Mg content of 0.05 to 0.6% by weight is advantageous.
- a Mg content of 0.1 to 0.4% by weight is particularly preferred.
- the structure of the invention also contains other Mg-containing phases.
- Mg borides can form as further Mg-containing phases.
- Mg borides can be present in the modifications MgB 2 and/or MgB 12 with a proportion of 0.1 to 5% by volume in the structure as hard particles of the first and second class.
- Cu-containing and Mg-containing phases are also present in the structure of the alloy according to the invention as further Mg-containing phases.
- these phases can be partially or fully replaced by Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases.
- Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases are present in the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention.
- the effect of the crystallization nuclei during the solidification/cooling of the melt, the effect of the crystallization nuclei as recrystallization nuclei and the effect of the silicate-based phases for the purpose of wear protection and corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0 .01% by weight and the boron content is at least 0.002% by weight. On the other hand, if the Si content exceeds 1.5% by weight and/or the B content exceeds 0.45% by weight, the casting performance deteriorates. The excessively high content of crystallization nuclei would make the melt significantly more viscous. In addition, reduced toughness properties of the alloy according to the invention would result.
- the range for the Si content within the limits of 0.05 to 0.9% by weight is rated as advantageous.
- a silicon content of 0.1 to 0.6% by weight has proven to be particularly advantageous.
- a content of 0.01 to 0.4% by weight is considered advantageous for the element boron.
- a boron content of 0.02 to 0.3% by weight has proven particularly advantageous.
- a lower limit for the element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important in order to ensure a sufficient content of Ni-Si borides and of phases containing Si and B, which are in the form of borosilicates and/or borophosphorus silicates. For this reason, the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 0.4.
- the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 0.8 is advantageous for the alloy according to the invention.
- the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 1 is preferred.
- Important for another important feature of the invention is the determination of an upper limit of 8 for the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight. After casting, parts of the silicon are dissolved in the metallic matrix and bound in the hard particles of the first class.
- the maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in wt to be reduced to below 3 ⁇ m. Furthermore, this limits the content of silicides. Limiting the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight to the maximum value of 6 has proven to be particularly advantageous in this regard.
- the precipitation of the crystallization nuclei influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This circumstance underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus causes the melt to be sufficiently thin despite the crystallization nuclei, which is of great importance for the castability of the invention.
- the phosphorus content of the alloy according to the invention is 0.004 to 0.3% by weight.
- the P content no longer contributes to ensuring sufficient castability of the invention. If the phosphorus content of the alloy assumes values above 0.3% by weight, then on the one hand an excessive Ni content is bound in the form of phosphides, which reduces the spinodal segregability of the structure. On the other hand, with a P content above 0.3% by weight, the hot workability of the invention would deteriorate significantly. For this reason, a P content of 0.01 to 0.3% by weight has proven particularly advantageous. A P content in the range from 0.02 to 0.2% by weight is preferred.
- the alloying element phosphorus is very important for another reason. Together with the required maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 8, it is due to the phosphorus content of the alloy that Ni phosphides, Fe phosphides, Mg Phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, individually and/or are present as addition compounds and/or mixed compounds and are encased by precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system, with a maximum size of 3 ⁇ m and with a content of 2 to 35% by volume in the structure.
- the hard particles of the third class even have a size of less than 1 ⁇ m.
- these third-class hard particles supplement the second-class hard particles in their function as wear carriers. They increase the strength and hardness of the metallic matrix and thus improve the resistance of the alloy to abrasive wear. On the other hand, the third-class hard particles increase the alloy's resistance to adhesive wear. Finally, these third-class hard particles bring about a significant increase in the high-temperature strength and the stress relaxation resistance of the alloy according to the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and components and connecting elements in electronics/electrical engineering.
- the alloy according to the invention Due to the content of hard particles of the first class in the structure of the cast state and of hard particles of the second and third class in the structure of the further processed state, the alloy according to the invention has the character of a precipitation-hardenable material.
- the invention corresponds to a precipitation hardenable and spinodally demixable copper-nickel-tin alloy.
- the sum of the element contents of the elements is silicon, boron and phosphorus advantageously at least 0.25% by weight.
- the cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
- the element cobalt can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of up to 2.0% by weight. Due to the similarity relationship between the elements nickel, iron and cobalt and due to the Si-boride-forming, boride-forming, silicide-forming and phosphide-forming properties of cobalt with regard to nickel and iron, the alloying element cobalt can be added to participate in the formation of crystallization nuclei and hard particles first, second and third class of the alloy. Thereby, the Ni content bound in the hard particles can be reduced.
- Ni content that is effectively available in the metallic matrix for the spinodal segregation of the structure increases.
- Advantagely 0.1 to 2.0% by weight of Co it is thus possible to increase the strength and hardness of the invention considerably.
- the copper-nickel-tin alloy according to the invention can have small amounts of lead, which are above the impurity limit, up to a maximum of 0.25% by weight.
- the copper-nickel-tin alloy is free of lead except for any unavoidable impurities, which means that current environmental standards are met.
- lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are contemplated.
- Si-containing and B-containing phases which are in the form of borosilicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates, not only leads to a significant reduction in the content of pores and cracks in the structure of the alloy according to the invention. Together with the Mg oxides, these silicate-based phases also assume the role of a wear-resistant and anti-corrosive coating on the components.
- the alloying element tin contributes to the formation of a so-called tribolayer between the sliding partners. This mechanism is particularly important under mixed friction conditions when the emergency running properties of a material are more important.
- the tribological layer leads to a reduction in the purely metallic contact surface between the sliding partners, which prevents the elements from welding or seizing.
- the parts made of the alloy according to the invention form, similar to casting and hot forming, phases containing Si and B, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates .
- phases containing Si and B which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates .
- the alloy of the invention ensures a combination of Features Wear resistance and corrosion resistance.
- This combination of properties leads to a high resistance to the mechanisms of sliding wear, as required, and to a high material resistance to fretting corrosion.
- the invention is excellently suited for use as a sliding element and plug connector, since it has a high degree of resistance to sliding wear and oscillating wear, so-called fretting.
- the hard particles of the third class make a significant contribution to increasing the fatigue strength.
- the third-class hard particles, together with the second-class hard particles, represent obstacles to the propagation of fatigue cracks, which can be introduced into the stressed component, particularly in the case of dynamic friction wear.
- the hard particles of the second and third class supplement in particular the anti-wear and anti-corrosion effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as the phosphorus silicates and the Mg oxides with regard to increasing the resistance of the alloy according to the invention compared to oscillating wear, so-called fretting.
- Si-containing and B-containing phases which are designed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as the phosphorus silicates and the Mg oxides
- High temperature strength and stress relaxation resistance are other important properties of an alloy used in higher temperature applications.
- a high density of fine precipitates is considered to be advantageous in order to ensure sufficiently high heat resistance and stress relaxation resistance.
- such precipitations are the hard particles of the third class and the continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system.
- the alloy according to the invention Due to the uniform and fine-grained structure with largely no pores, no cracks and no segregation and the content of first-class hard particles, the alloy according to the invention has a high degree of strength, hardness, ductility, complex wear resistance and corrosion resistance even in the cast state.
- This combination of properties means that sliding elements and guide elements can be produced from the cast format.
- the cast state of the invention can also be used for the production of fitting housings and housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps.
- the alloy of the present invention can be used for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding.
- the further processed variant of the invention can be used for areas of application with a particularly strong, complex and/or dynamic component stress.
- the invention is suitable for the metal objects in constructions for the rearing of organisms living in sea water (aquaculture). Furthermore, pipes, seals and connecting bolts which are required in the maritime and chemical industries can be produced from the invention.
- cymbals of high quality have so far been made from mostly tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are usually put into the be brought to final shape. The basins are then annealed again before their final machining takes place.
- the production of the different variants of the cymbal eg ride cymbal, hi-hat, crash cymbal, China cymbal, splash cymbal and effect cymbal
- different structural proportions of the phases of the metallic matrix and the different hard particles can be adjusted in a very wide range. In this way it is already possible to influence the sound of the cymbals on the alloy side.
- the invention can be used in particular for the production of composite plain bearings in order to be applied to a composite partner by means of a joining method. It is thus possible to produce a composite between disks, plates or strips of the invention and steel cylinders or steel strips, preferably made of heat-treated steel, by means of forging, soldering or welding with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.
- composite bearing shells or composite bearing bushes can be produced by roll-bonding, inductive or conductive roll-bonding or by laser roll-bonding, also with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.
- high-performance composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes can also be produced as a three-layer system, with a bearing back made of steel, the actual bearing made of the alloy according to the invention and the overlay made of tin or the Sn-rich coating.
- This multi-layer system has a particularly advantageous effect on the adaptability and running-in ability of the plain bearing and improves the embedding ability of foreign particles and abrasive particles, whereby there is no damage caused by the layer composite system being broken up as a result of pore formation and cracking in the boundary area of the individual layers.
- the great potential of copper-nickel-tin materials can also be used for the field of tin-plated components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics and electrical engineering by using the alloy according to the invention.
- the structure of the invention reduces the damage mechanism of pore formation and cracking in the boundary area between the alloy according to the invention and the tinning, even at elevated temperatures, which counteracts an increase in the electrical contact resistance of the components or even detachment of the tinning.
- the different hard particles serve as chip breakers.
- the resulting short crumbly chips and/or tangled chips facilitate machinability, which is why the semi-finished products and components from the cast state and the further processed state of the alloy according to the invention have better machinability.
- the chemical composition of the exemplary embodiment A and of the reference material R is shown in Table 1.
- the embodiment A is characterized by an Ni content of 6.19% by weight, an Sn content of 5.78% by weight, an Mg content of 0.30% by weight, an Fe content of 0 20% by weight, an Si content of 0.29% by weight, a B content of 0.12% by weight, a P content of 0.12% by weight and the remainder being copper marked.
- the reference material R a conventional copper-nickel-tin alloy, has a Ni content of 5.78% by weight, an Sn content of 5.75% by weight and a P content of 0.032% by weight. % and a remainder of copper.
- the structure of the continuously cast plates of the reference material R shows gas and shrinkage pores as well as Sn-rich segregations, especially at the grain boundaries.
- the continuous casting of the exemplary embodiment A has a uniformly solidified, pore-free and segregation-free structure due to the effect of the crystallization nuclei.
- the metallic matrix of the as-cast state of the exemplary embodiment A consists of a copper mixed crystal with, based on the overall structure, approx. 10 to 15% by volume of island-shaped embedded first phase components, which can be specified with the empirical formula Cu h Ni k Sn m and a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % from 2 to 6.
- the compounds CuNi 14 Sn 23 and CuNi 9 Sn 20 with a ratio (h+k)/m of 3.4 and 4 could be determined.
- the metallic matrix with, based on the overall structure about 5 to 10% by volume of second phase components are embedded in islands, which can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and a ratio (p + r) / s of Have element contents in atomic percent from 10 to 15.
- the compounds CuNi 3 Sn 8 and CuNi 4 Sn 7 with a ratio (p+r)/s of 11.5 and 13.3 were detected.
- the first and second phase components of the metallic matrix are predominantly crystallized in the area of the crystallization nuclei and encase them.
- the analysis of the first-class hard particles in the cast state of exemplary embodiment A gave indications of the compound SiB 6 as a representative of the Si-containing and B-containing phases, of Ni 6 Si 2 B as a representative of the Ni-Si borides, of Ni 3 B as a representatives of the Ni borides, to FeB as a representative of the Fe borides, to Ni 3 P as a representative of the Ni phosphides, to Fe 2 P as a representative of the Fe phosphides, to Mg 3 P 2 as a representative of the Mg phosphides Ni 2 Si as a representative of the Ni silicides, on Fe-rich Particles, on Mg 2 Si as a representative of the Mg silicides and on Cu 4 SnMg as a representative of the Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds in the structure.
- these hard particles are encased by tin and/or the first phase components and
- Example A During the casting process of Example A, a substructure was formed in the primary casting grains. In the cast structure of embodiment A of the invention, these sub-grains have a grain size of less than 10 ⁇ m. As a result of the sub-grain structure and the hard particles precipitated in the structure of exemplary embodiment A of the invention, the hardness HB of the as-cast state of 131 is significantly higher than the hardness of 94 HB of the continuously cast R (Table 2).
- Tab. 2 Also shown in Tab. 2 are the hardness values that were determined on the continuously cast alloys A and R aged at 400°C for a period of 3 hours.
- the increase in hardness from 94 to 145 HB is greatest for the reference material R.
- the hardening is particularly due to thermally activated segregation of the Sn-rich and Ni-Sn-rich phase in the structure.
- the phase components enriched with tin are separated out in the structure of exemplary embodiment A in a much finer way in the area of the hard particles. For this reason, the hardness does not increase so markedly from 131 to 146 HB.
- One aim of the invention is to retain the good cold workability of conventional copper-nickel-tin alloys despite the introduction of hard particles.
- Production program 1 according to Table 3 was carried out to check the degree of achievement of this goal. This production program consisted of a cycle of cold forming and annealing, with the cold rolling steps being carried out with the maximum possible degree of cold forming.
- the structure of the further processed exemplary embodiment A contains the hard particles of the second class (in 3 labeled 3).
- the size of the third-class hard particles of less than 3 ⁇ m is characteristic of the further processed alloy according to the invention.
- the further processed exemplary embodiment A of the invention after aging at 450° C., it is even less than 1 ⁇ m (in 4 marked 5).
- This production program 2 pursued the goal of processing the continuously cast plates of materials A and R into strips by means of cold forming and annealing, with identical parameters for the degrees of cold forming and the annealing temperatures being used in each case (Table 5).
- the strips of example A After the last cold rolling step to the final thickness of 3.0 mm, the strips of example A have the highest strength values and hardness values (Tab. 6).
- the increase in strength R m (from 498 to 717 MPa) and R p0.2 (from 439 to 649 MPa) as well as the hardness HB (from 166 to 230 MPa) falls due to the spinodal segregation of the structure ) is most evident in alloy R (Table 6).
- the structure of the aged states of alloy R is very uneven with a grain size between 5 and 30 ⁇ m.
- the structure of the aged states of the reference material R is characterized by discontinuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn (in 1 and 2 denoted by 1).
- the structure of the further processed state of the reference material R also contains Ni phosphides (in 1 and 2 labeled 2).
- the structure of the retired tapes of embodiment A of the invention On the other hand, with a grain size of 2 to 8 ⁇ m, it is very uniform.
- the structure of Example A lacks the discontinuous precipitates even after aging at 450°C for 3 hours followed by air cooling.
- second-class hard particles can be detected in the structure. These phases are in 5 and 6 marked with 3.
- the strengths R m and R p0.2 of the strips of alloy A assume the values of 704 and 618 MPa as a result of the spinodal segregation of the structure.
- R m and R p0.2 are therefore lower than the characteristic values of the correspondingly aged state of alloy R. This is due to the fact that in exemplary embodiment A the Ni content, which is bound in the hard particles, is responsible for the strength-increasing spinodal segregation of the structure is missing. If the strength level of R is required, it is possible to add a higher proportion of the alloying element nickel to the alloy according to the invention.
- the next step included testing the hot formability of the continuously cast alloys A and R.
- the cast plates were hot rolled at a temperature of 720°C (Table 7).
- the parameters of production program 2 were adopted for the further process steps of cold forming and intermediate annealing. ⁇ b> ⁇ u>Table 7: ⁇ /u> ⁇ /b> Production program 3 of strips from the continuously cast plates of example A and the reference material R No.
- the cast plates of the embodiment A of the invention hot-rolled without damage and after several cold-rolling and annealing processes to the final thickness of 3.0 mm.
- the properties of the outsourced strips (Tab. 8) largely correspond to those of the strips that were produced without hot forming using production program 2 (Tab. 6).
- microstructure of the strips from embodiment A of the alloy according to the invention which were produced with and without a hot forming step, is also comparable. That's how it goes 7 and 8 the uniform structure of the strips from example A emerges, which were produced with a hot forming stage and a final aging at 400° C./3 h/air cooling. In 7 and 8 the hard particles of the second class, labeled 3, can again be seen.
- the hard particles of the third class even assume a size of less than 1 ⁇ m (with 5 in 8 designated).
- Table 9 lists the process steps used as part of production program 4. The production was carried out with a cycle of cold forming and annealing. Again, only the Alloy A cast slabs were annealed at 740°C prior to the first cold rolling.
- this thermomechanical treatment increased the coverage of the grain boundaries of alloy R with Sn-rich segregations.
- the crack-free and uniform structure of the belts of example A is characterized by the arrangement of the hard particles of the second and third class.
- the third-class hard particles also have a size of less than 1 ⁇ m in this production program 4.
- the exemplary embodiment A has a high degree of outsourcing capability, which is expressed by the interaction of the mechanisms of precipitation hardening and spinodal segregation of the structure.
- the characteristic values R m and R p0.2 increase from 524 to 655 and from 465 to 589 MPa as a result of aging at 400°C.
- the degree of precipitation hardening and the degree of spinodal segregation of the structure of the invention can be adapted to the required material properties by varying the chemical composition, the degree of deformation for the cold forming(s) and by varying the aging conditions. In this way, it is possible to tailor the strength, hardness, ductility and electrical conductivity of the alloy according to the invention to the intended area of use.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 1 oder 2, ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 9 oder 10 sowie deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 16 bis 18.The invention relates to a copper-nickel-tin alloy with excellent castability, hot workability and cold workability, high resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance according to the preamble of one of
Aufgrund ihrer guten Festigkeitseigenschaften, ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit für die Wärme und den elektrischen Strom besitzen die binären Kupfer-Zinn-Legierungen eine große Bedeutung im Maschinenbau und Fahrzeugbau sowie in weiten Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik.Due to their good strength properties, their good corrosion resistance and conductivity for heat and electricity, the binary copper-tin alloys are of great importance in mechanical engineering and vehicle construction as well as in many areas of electronics and electrical engineering.
Diese Werkstoffgruppe verfügt über eine hohe Beständigkeit gegenüber dem abrasiven Verschleiß. Außerdem gewährleisten die Kupfer-Zinn-Legierungen gute Gleiteigenschaften und eine hohe Dauerschwingfestigkeit, woraus sich ihre hervorragende Eignung für Gleitelemente im Motorenbau und Fahrzeugbau sowie im allgemeinen Maschinenbau ergibt.This group of materials has a high resistance to abrasive wear. In addition, the copper-tin alloys ensure good sliding properties and high fatigue strength, which is why they are extremely suitable for sliding elements in engine and vehicle construction as well as in general mechanical engineering.
Die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen besitzen im Vergleich zu den binären Kupfer-Zinn-Werkstoffen verbesserte mechanische Eigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Die Steigerung der mechanischen Kennwerte wird dabei durch die Aushärtbarkeit der Cu-Ni-Sn-Legierungen erreicht.The copper-nickel-tin alloys have compared to the binary copper-tin materials improved mechanical properties such as hardness, tensile strength and yield point. The increase in the mechanical characteristics is achieved through the hardenability of the Cu-Ni-Sn alloys.
Neben der Bedeutung des Verhältnisses der Elemente Nickel und Zinn für die Temperatur, bei der es zu einer spontanen spinodalen Entmischung in den Cu-Ni-Sn-Legierungen kommt, sind die Ausscheidungsvorgänge wesentlich für die Einstellung der Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe.In addition to the importance of the ratio of the elements nickel and tin for the temperature at which spontaneous spinodal demixing occurs in the Cu-Ni-Sn alloys, the precipitation processes are essential for the adjustment of the properties of this group of materials.
Das Vorhandensein von diskontinuierlichen Ausscheidungen besonders an den Korngrenzen des Gefüges der Cu-Ni-Sn-Legierungen wird im Schrifttum mit einer Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften bei dynamischer Beanspruchung in Verbindung gebracht.The presence of discontinuous precipitations, particularly at the grain boundaries of the structure of Cu-Ni-Sn alloys, is associated in the literature with a deterioration in toughness properties under dynamic stress.
So wird in der Druckschrift
In der Druckschrift
In der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Zu diesen Kupferlegierungen zählen auch die Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe. Zur Gewährleistung einer Kaltumformung des Gusszustandes derartiger Legierungen wird daher ein Dünnbandgießverfahren mit genauer Steuerung der Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze empfohlen.These copper alloys also include the copper-nickel-tin materials. Therefore, to ensure cold working of the as-cast condition of such alloys, a strip casting process with precise control of the solidification rate of the melt is recommended.
Infolge steigender Betriebstemperaturen und Betriebsdrücke in modernen Motoren, Maschinen, Anlagen und Aggregaten treten die verschiedensten Mechanismen der Schädigung der einzelnen Systemelemente auf. So besteht immer mehr die Notwendigkeit, insbesondere bei der werkstoffseitigen und konstruktiven Auslegung von Gleitelementen und Steckverbindern, neben den Arten des Gleitverschleißes auch den Mechanismus der Schwingreibverschleißschädigung zu berücksichtigen.As a result of increasing operating temperatures and operating pressures in modern engines, machines, systems and aggregates, a wide variety of mechanisms of damage to the individual system elements occur. So there is more and more the need, especially in the material-side and constructive design of sliding elements and connectors, in addition to the Types of sliding wear also to consider the mechanism of oscillating wear damage.
Der Schwingreibverschleiß, in der Fachsprache auch Fretting genannt, ist ein Reibverschleiß, der zwischen oszillierenden Kontaktflächen auftritt. Zusätzlich zum Geometrieverschleiß oder Volumenverschleiß der Bauteile kommt es durch die Reaktion mit dem Umgebungsmedium zur Reibkorrosion. Die Werkstoffschädigungen können die örtliche Festigkeit in der Verschleißzone, insbesondere die Schwingfestigkeit deutlich absenken. Von der geschädigten Bauteiloberfläche können Schwinganrisse ausgehen, die zum Schwingbruch/Reibdauerbruch führen. Unter Reibkorrosion kann die Schwingfestigkeit eines Bauteils deutlich unter den Dauerfestigkeitskennwert des Werkstoffes abfallen.Dynamic friction wear, also known as fretting in technical terms, is friction wear that occurs between oscillating contact surfaces. In addition to the geometric wear or volume wear of the components, the reaction with the surrounding medium leads to fretting corrosion. The damage to the material can significantly reduce the local strength in the wear zone, in particular the fatigue strength. Fatigue cracks can emanate from the damaged component surface, leading to fatigue fractures/friction fractures. In the case of fretting corrosion, the fatigue strength of a component can fall well below the fatigue limit value of the material.
Der Schwingreibverschleiß unterscheidet sich in seinem Mechanismus erheblich von den Arten des Gleitverschleißes mit einsinniger Bewegung. Insbesondere sind die Korrosionseinflüsse beim Schwingreibverschleiß besonders ausgeprägt.The mechanism of oscillating friction wear is significantly different from the types of sliding wear with unidirectional movement. In particular, the effects of corrosion are particularly pronounced in the case of dynamic friction wear.
Aus der Druckschrift
Die Resultate von Fretting-Versuchen mit verschiedenen Gleitlagerwerkstoffen verweisen darauf, dass besonders Cu-Ni-Sn-Legierungen mit einem Ni-Gehalt i über 2 Gew.-%, wie er bei den spinodal aushärtenden Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen vorkommt, eine unzureichende Beständigkeit gegen den Fretting-Verschleiß besitzen.The results of fretting tests with various plain bearing materials indicate that Cu-Ni-Sn alloys in particular with a Ni content i of more than 2% by weight, as occurs in the spinodally hardening copper-nickel-tin alloys, have a have insufficient resistance to fretting wear.
In Motoren und Maschinen sind elektrische Steckverbinder häufig in einer Umgebung angeordnet, in welcher sie mechanischen Schwingungsbewegungen ausgesetzt sind. Befinden sich die Elemente einer Verbindungsanordnung an unterschiedlichen Baugruppen, die infolge von mechanischen Belastungen Relativbewegungen zueinander durchführen, so kann es zu einer entsprechenden Relativbewegung der Verbindungselemente kommen. Diese Relativbewegungen führen zu einem Schwingreibverschleiß und zu einer Reibkorrosion der Kontaktzone der Steckverbinder. In dieser Kontaktzone bilden sich Mikrorisse, wodurch sich die Dauerschwingfestigkeit des Steckverbinderwerkstoffes stark reduziert. Ein Ausfall des Steckverbinders durch Dauerbruch kann die Folge sein. Weiterhin kommt es aufgrund der Reibkorrosion zu einem Anstieg des Kontaktwiderstandes.In motors and machines, electrical connectors are often placed in an environment in which they are subjected to mechanical vibrational movements. If the elements of a connection arrangement are located on different assemblies which, as a result of mechanical loads, carry out movements relative to one another, a corresponding relative movement of the connection elements can occur. These relative movements lead to oscillating wear and fretting corrosion of the contact zone of the connector. Microcracks form in this contact zone, which greatly reduces the fatigue strength of the connector material. A failure of the connector due to fatigue fracture can be the result. Furthermore, due to the fretting corrosion, there is an increase in the contact resistance.
Entscheidend für eine hinreichende Beständigkeit gegen Schwingreibverschleiß/Reibkorrosion/Fretting ist demnach eine Kombination der Werkstoffeigenschaften Verschleißbeständigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit.A combination of the material properties of wear resistance, ductility and corrosion resistance is therefore decisive for sufficient resistance to dynamic friction wear/fretting corrosion/fretting.
Um die Verschleißbeständigkeit der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zu erhöhen, ist es notwendig, diesen Werkstoffen geeignete Verschleißträger hinzuzufügen. Diese Verschleißträger in Form von Hartpartikeln sollen den Schutz vor den Folgen eines abrasiven und adhäsiven Verschleißes übernehmen. Als Hartpartikel kommen in den Cu-Ni-Sn-Legierungen verschiedene Ausscheidungsformen in Betracht.In order to increase the wear resistance of copper-nickel-tin alloys, it is necessary to add suitable wear supports to these materials. These wear carriers in the form of hard particles are intended to protect against the consequences of abrasive and adhesive wear. As hard particles different precipitation forms come into consideration in the Cu-Ni-Sn alloys.
In der Druckschrift
Zur Herstellung einer Gleitschicht auf einem Grundkörper aus Stahl wird in der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Die in dieser Druckschrift offenbarte Lehre schreibt einen besonders hohen P-Gehalt von 0,2 bis 0,6 Gew.-% bei zwingendem Si-Gehalt der Legierung von 0,05 bis 0,15 Gew.-% vor. Dies unterstreicht die vordergründige Forderung nach den selbstfließenden Eigenschaften des Werkstoffes. Mit diesem hohen P-Gehalt wird die Warmumformbarkeit der Legierung schlecht ausfallen und die spinodale Entmischbarkeit des Gefüges ungenügend sein.The teaching disclosed in this publication specifies a particularly high P content of 0.2 to 0.6% by weight with a mandatory Si content of the alloy of 0.05 up to 0.15% by weight. This underlines the superficial demand for the self-flowing properties of the material. With this high P content, the hot workability of the alloy will be poor and the spinodal segregability of the structure will be insufficient.
Laut der Druckschrift
Die Druckschrift
Allerdings wird die Kupferlegierung nach den Druckschriften
Die Offenbarung einer ausscheidungshärtbaren Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung geht aus der Druckschrift
In der Druckschrift
Aus der Patentschrift
Es wird ausgeführt, dass die Legierungselemente Zn, Mn, Mg, P und B zur Desoxidation der Schmelze der Legierung zugesetzt werden. Die Elemente Ti, Cr, Zr, Fe und Co besitzen eine kornfeinende und festigkeitssteigernde Funktion.It is stated that the alloying elements Zn, Mn, Mg, P and B are added to the melt of the alloy for deoxidation. The elements Ti, Cr, Zr, Fe and Co have a grain-refining and strength-enhancing function.
Durch das Legieren mit Metalloiden wie beispielsweise Bor, Silicium und Phosphor gelingt die verarbeitungstechnisch wichtige Erniedrigung der relativ hohen Basisschmelztemperatur. Deshalb erfolgt der Einsatz dieser Legierungszusätze insbesondere auf dem Gebiet der verschleißfesten Beschichtungswerkstoffe und Hochtemperaturwerkstoffe, zu denen zum Beispiel die Legierungen der Systeme Ni-Si-B und Ni-Cr-Si-B zählen. In diesen Werkstoffen sind besonders die Legierungselemente Bor und Silicium für die starke Absenkung der Schmelztemperatur von Nickelbasishartlegierungen verantwortlich zu machen, weshalb ihre Verwendung als selbstfließende Nickelbasishartlegierungen möglich wird.By alloying with metalloids such as boron, silicon and phosphorus, the reduction in processing technology, which is important high base melting temperature. This is why these alloying additions are used in particular in the field of wear-resistant coating materials and high-temperature materials, which include, for example, the alloys of the Ni-Si-B and Ni-Cr-Si-B systems. In these materials, the alloying elements boron and silicon in particular are responsible for the strong reduction in the melting temperature of hard nickel-based alloys, which is why their use as self-fluxing hard nickel-based alloys becomes possible.
In der Auslegeschrift
In der Druckschrift
In der Auslegeschrift
Die zumeist in den vom Bor-Gehalt bestimmt Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und/oder SiBn vorliegenden Siliziumboride unterscheiden sich in ihren Eigenschaften wesentlich vom Silicium. Diese Siliziumboride besitzen einen metallischen Charakter, weshalb sie elektrisch leitend sind. Sie besitzen eine außerordentlich hohe Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Die bevorzugt für Sinterprodukte eingesetzte Modifikation des SiB6 wird wegen ihrer sehr hohen Härte und ihres hohen abrasiven Verschleißwiderstandes beispielsweise in der Keramikherstellung und Keramikbearbeitung eingesetzt.The silicon borides, which are mostly present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and/or SiB n determined by the boron content, differ significantly from silicon in their properties. These silicon borides have a metallic character, which is why they are electrically conductive. They have an extraordinarily high temperature resistance and oxidation resistance. The modification of SiB 6 , which is preferred for sintered products, is used, for example, in the manufacture and processing of ceramics because of its very high hardness and its high abrasive wear resistance.
Die gebräuchlichen verschleißfesten Hartlegierungen zur Oberflächenbeschichtung bestehen aus einer verhältnismäßig duktilen Matrix der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel mit eingelagerten Siliziden und Boriden als Hartpartikel (
In häufigen Anwendungen wird das Element Zink den Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zugegeben, um den Metallpreis abzusenken. Funktionell bewirkt das Legierungselement Zink die stärkere Bildung von Sn-reichen oder Ni-Sn-reichen Phasen aus der Schmelze. Außerdem verstärkt Zink die Bildung der Ausscheidungen in den spinodalen Cu-Ni-Sn-Legierungen.In frequent applications, the element zinc is added to copper-nickel-tin alloys to lower the metal price. Functionally, the alloying element zinc causes the stronger formation of Sn-rich or Ni-Sn-rich phases from the melt. In addition, zinc increases the formation of precipitates in the Cu-Ni-Sn spinodal alloys.
Des Weiteren wird in zahlreichen Anwendungen auch ein gewisser Pb-Gehalt den Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften sowie zur besseren spanenden Bearbeitbarkeit zugesetzt.Furthermore, in numerous applications, a certain Pb content is added to the copper-nickel-tin alloys to improve the emergency running properties and for better machinability.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bereitzustellen, die über den gesamten Bereich des Nickel-Gehaltes und Zinn-Gehaltes von jeweils 2 bis 10 Gew.-% eine ausgezeichnete Warmumformbarkeit aufweist. Für die Warmumformung sollte ein Vormaterial einsetzbar sein, das ohne die zwingende Notwendigkeit der Durchführung des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens mittels konventioneller Gießverfahren hergestellt wurde.The invention is based on the object of providing a high-strength copper-nickel-tin alloy which has excellent hot workability over the entire range of the nickel content and tin content of 2 to 10% by weight in each case. It should be possible to use a starting material for hot forming that has been produced by means of conventional casting processes without the absolute necessity of carrying out spray compacting or thin-strip casting.
Die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung sollte nach dem Gießen frei von Gasporen und Schwindungsporen sowie Spannungsrissen und durch ein Gefüge mit gleichmäßiger Verteilung der mit Zinn angereicherten Phasenbestandteile gekennzeichnet sein. Außerdem sollten im Gefüge der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bereits nach dem Gießen intermetallische Phasen enthalten sein. Dies ist bedeutsam, damit die Legierung bereits im Gusszustand eine hohe Festigkeit, eine hohe Härte sowie eine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweist. Weiterhin sollte sich bereits der Gusszustand durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.After casting, the copper-nickel-tin alloy should be free of gas pores and shrinkage pores as well as stress cracks and be characterized by a structure with a uniform distribution of the tin-enriched phase components. In addition, the structure of the copper-nickel-tin alloy should already contain intermetallic phases after casting. This is important so that the alloy already has high strength, high hardness and sufficient wear resistance in the cast state. Furthermore, the as-cast state should already be characterized by high corrosion resistance.
Der Gusszustand der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung sollte nicht erst mittels einer geeigneten Glühbehandlung homogenisiert werden müssen, um eine hinreichende Warmumformbarkeit herstellen zu können.The as-cast state of the copper-nickel-tin alloy should not first have to be homogenized by means of a suitable annealing treatment in order to be able to produce sufficient hot workability.
Hinsichtlich der Verarbeitungseigenschaften der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht einerseits das Ziel, dass sich deren Kaltumformbarkeit trotz des Gehaltes an intermetallischen Phasen bezüglich der konventionellen Cu-Ni-Sn-Legierungen nicht wesentlich verschlechtert. Andererseits sollte für die Legierung die Forderung nach einem Mindest-Umformgrad der durchgeführten Kaltumformung wegfallen. Dies wird nach dem Stand der Technik als Voraussetzung angesehen, um eine spinodale Entmischung des Gefüges der Cu-Ni-Sn-Werkstoffe ohne die Bildung diskontinuierlicher Ausscheidungen gewährleisten zu können.With regard to the processing properties of the copper-nickel-tin alloy, there is the aim on the one hand that its cold workability should not deteriorate significantly in comparison to the conventional Cu-Ni-Sn alloys despite the content of intermetallic phases. On the other hand, the requirement for a minimum degree of deformation of the cold forming performed should be dropped for the alloy. According to the state of the art, this is regarded as a prerequisite in order to be able to ensure spinodal segregation of the structure of the Cu-Ni-Sn materials without the formation of discontinuous precipitations.
Eine weitere Forderung bezüglich der Weiterverarbeitung von Cu-Ni-Sn-Werkstoffen, die dem Stand der Technik entsprechen, bezieht sich auf die Abkühlgeschwindigkeit nach der Auslagerung der Werkstoffe. So wird es als notwendig angesehen, nach der spinodalen Auslagerung die Werkstoffe mittels Wasserabschreckung schnell abzukühlen, um ein spinodal entmischtes Gefüge ohne diskontinuierliche Ausscheidungen zu erhalten. Da sich aber infolge dieser Abkühlmethode nach dem Auslagern gefährliche Eigenspannungen ausbilden können, liegt der Erfindung die weitere Aufgabe zugrunde, bereits legierungsseitig die Bildung von diskontinuierlichen Ausscheidungen während des gesamten Fertigungsprozesses inklusive des Auslagerns zu verhindern.Another requirement regarding the further processing of Cu-Ni-Sn materials, which correspond to the state of the art, relates to the cooling rate after the materials have been aged. It is considered necessary, after spinodal aging, to quickly cool the materials by means of water quenching in order to obtain a spinodal segregated structure without discontinuous precipitations. However, since dangerous internal stresses can form as a result of this cooling method after aging, the invention is based on the further object of preventing the formation of discontinuous precipitations on the alloy side during the entire production process, including aging.
Mittels einer Weiterverarbeitung, die zumindest eine Glühung oder zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung umfasst, ist ein feinkörniges, hartpartikelhaltiges Gefüge mit hoher Festigkeit, hoher Warmfestigkeit, hoher Härte, hoher Spannungsrelaxationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, ausreichender elektrischer Leitfähigkeit sowie mit einem hohen Maß an Beständigkeit gegenüber den Mechanismen des Gleitverschleißes und des Schwingreibverschleißes einzustellen.By means of further processing, which includes at least one annealing or at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing, a fine-grained structure containing hard particles with high strength, high heat resistance, high hardness, high resistance to stress relaxation and corrosion, sufficient electrical conductivity and a high Degree of resistance to the mechanisms of Set sliding wear and oscillating friction wear.
Die Erfindung wird bezüglich einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung durch die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bezüglich eines Herstellungsverfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 9 oder 10 und bezüglich einer Verwendung durch die Merkmale der Ansprüche 16 bis 18 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is represented by the features of one of
Die Erfindung schließt eine hochfeste Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung im Gusszustand ein, mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):
- 2,0 bis 10,0 % Ni,
- 2,0 bis 10,0 % Sn,
- 0,01
bis 1,0 % Fe, - 0,01 bis 0,8 % Mg,
- 0,01
1,5 % Si,bis - 0,002 bis 0,45 % B,
- 0,004
bis 0,3 % P, - wahlweise noch bis maximal 2,0 % Co,
- wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Silicium und Bor minimal 0,4 und maximal 8 beträgt;
- dass nach dem Gießen in der Legierung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
- a) Eine Si-haltige und P-haltige metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- a1) bis zu 30 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-
% von 2 bis 6 aufweisen, - a2) bis zu 20 Volumen-% zweiten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CupNirSns ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen und
- a3) einem Rest an Kupfer-Mischkristall;
- a1) bis zu 30 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-
- b) Phasen, die, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- b1) mit 0,01 bis 10 Volumen-% als Si-haltige und B-haltige Phasen, welche als Siliziumboride und als Borsilikate und/oder als Borphosphorsilikate ausgebildet sind,
- b2)
mit 1 bis 15 Volumen-% als Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, - b3)
mit 1 bis 15 Volumen-% als Ni-Boride, - b4)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Fe-Boride, - b5)
mit 1bis 5 Volumen-% als Ni-Phosphide, - b6)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Fe-Phosphide, - b7)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Mg-Phosphide, - b8)
mit 1bis 5 Volumen-% als Ni-Silizide, - b9)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, - b10)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Mg-Silizide, - b11)
mit 0,1bis 5 Volumen-% als Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelt sind;
- a) Eine Si-haltige und P-haltige metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- dass beim Gießen die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride, Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, Mg-Silizide sowie die Cu-haltigen und Mg-haltigen Phasen und/oder Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, Keime für eine gleichmäßige Kristallisation während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze darstellen, so dass die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile inselartig und/oder netzartig gleichmäßig im Gefüge verteilt sind;
- dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten und Mg-Oxiden die Rolle eines verschleißschützenden und korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
- 2.0 to 10.0% Ni,
- 2.0 to 10.0% Sn,
- 0.01 to 1.0% Fe,
- 0.01 to 0.8% Mg,
- 0.01 to 1.5% Si,
- 0.002 to 0.45% B,
- 0.004 to 0.3% P,
- optionally up to a maximum of 2.0% Co,
- optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
- balance copper and unavoidable impurities,
- characterized,
- that the Si/B ratio of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
- that the following structural components are present in the alloy after casting:
- a) A Si-containing and P-containing metallic matrix with, based on the overall structure
- a1) up to 30% by volume of first phase components which, with the molecular formula Cu h Ni k Sn m , have a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % of 2 to 6,
- a2) up to 20% by volume of second phase components which, with the empirical formula Cu p Ni r Sn s , have a ratio (p+r)/s of the element contents in atomic % of 10 to 15 and
- a3) a remainder of copper mixed crystal;
- b) phases which, in relation to the overall structure,
- b1) with 0.01 to 10% by volume as Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and boron silicates and/or boron phosphorus silicates,
- b2) with 1 to 15% by volume as Ni-Si borides with the empirical formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6,
- b3) with 1 to 15% by volume as Ni borides,
- b4) with 0.1 to 5% by volume as Fe borides,
- b5) with 1 to 5% by volume as Ni phosphides,
- b6) with 0.1 to 5% by volume as Fe phosphides,
- b7) with 0.1 to 5% by volume as Mg phosphides,
- b8) with 1 to 5% by volume as Ni silicides,
- b9) with 0.1 to 5% by volume as Fe silicides and/or Fe-rich particles,
- b10) with 0.1 to 5% by volume as Mg silicides,
- b11) with 0.1 to 5% by volume as Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases in the structure, which are contained individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds are present and are encased by tin and/or the first phase components and/or the second phase components;
- a) A Si-containing and P-containing metallic matrix with, based on the overall structure
- that during casting the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich Particles, Mg silicides as well as the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, nuclei for a uniform crystallization during the solidification/cooling of the melt, so that the first phase components and/or the second phase components are distributed uniformly in the structure in the form of islands and/or a network;
- that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates and Mg oxides, assume the role of a wear-resistant and anti-corrosive coating on the semi-finished products and components of the alloy.
Vorteilhafterweise sind die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile mit zumindest 1 Volumen-% im Gussgefüge der Legierung enthalten.Advantageously, the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the cast structure of the alloy.
Durch die gleichmäßige Verteilung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile in Inselform und/oder in Netzform ist das Gefüge frei von Seigerungen. Unter derartigen Seigerungen werden Ansammlungen der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile im Gussgefüge verstanden, die als Korngrenzenseigerungen ausgebildet sind, welche bei thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung des Gussstückes eine Schädigung des Gefüges in Form von Rissen verursachen, die zum Bruch führen können. Dabei ist das Gefüge nach dem Gießen weiterhin frei von Gasporen, Schwindungsporen, Spannungsrissen und diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.Due to the uniform distribution of the first phase components and/or the second phase components in the form of islands and/or in the form of a network, the structure is free of segregations. Segregations of this type are understood to mean accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the cast structure, which are formed as grain boundary segregations which, when the casting is subjected to thermal and/or mechanical stress, cause damage to the structure in the form of cracks that can lead to fracture. After casting, the structure is still free of gas pores, shrinkage pores, stress cracks and discontinuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system.
Bei dieser Variante liegt die Legierung im Gusszustand vor.In this variant, the alloy is in the as-cast state.
Des Weiteren schließt die Erfindung eine hochfeste Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung nach Glühung oder nach Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst Glühung ein, mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit, bestehend aus (in Gew.-%):
- 2,0 bis 10,0 % Ni,
- 2,0 bis 10,0 % Sn,
- 0,01
bis 1,0 % Fe, - 0,01 bis 0,8 % Mg,
- 0,01
1,5 % Si,bis - 0,002 bis 0,45 % B,
- 0,004
bis 0,3 % P, - wahlweise noch bis maximal 2,0 % Co,
- wahlweise noch bis maximal 0,25 % Pb,
- Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass das Verhältnis Si/B der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Silicium und Bor minimal 0,4 und maximal 8 beträgt;
- dass nach der Weiterverarbeitung der Legierung durch zumindest eine Glühung oder durch zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung in der Legierung folgende Gefügebestandteile vorliegen:
- A) Eine metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- A1) bis zu 15 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-
% von 2 bis 6 aufweisen, - A2) bis zu 10 Volumen-% zweiten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CupNirSns ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen und
- A3) einem Rest an Kupfer-Mischkristall;
- A1) bis zu 15 Volumen-% ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-
- B) Phasen, die, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- B1)
mit 2 bis 40 Volumen-% als Si-haltige und B-haltige Phasen, welche als Siliziumboride und als Borsilikate und/oder als Borphosphorsilikate ausgebildet sind, Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, als Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, Mg-Silizide sowie als Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind, - B2) mit bis zu 80 Volumen-% als kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn im Gefüge enthalten sind,
- B3)
mit 2 bis 35 Volumen-% als Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, Mg-Silizide sowie als Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen im Gefüge enthalten sind, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind und eine Größe von kleiner 3 µm aufweisen;
- B1)
- A) Eine metallische Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge,
- dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride, Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, Mg-Silizide sowie die Cu-haltigen und Mg-haltigen Phasen und/oder Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, Keime für eine statische und dynamische Rekristallisation des Gefüges während der Weiterverarbeitung der Legierung darstellen, wodurch sich ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüges einstellt;
- dass die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten und Mg-Oxiden die Rolle eines verschleißschützenden und korrosionsschützenden Überzuges auf den Halbzeugen und Bauteilen der Legierung übernehmen.
- 2.0 to 10.0% Ni,
- 2.0 to 10.0% Sn,
- 0.01 to 1.0% Fe,
- 0.01 to 0.8% Mg,
- 0.01 to 1.5% Si,
- 0.002 to 0.45% B,
- 0.004 to 0.3% P,
- optionally up to a maximum of 2.0% Co,
- optionally up to a maximum of 0.25% Pb,
- balance copper and unavoidable impurities,
- characterized,
- that the Si/B ratio of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;
- that after further processing of the alloy by at least one annealing or by at least one hot forming and/or cold forming in addition to at least one annealing in the alloy the following structural components are present:
- A) A metallic matrix with, based on the overall structure,
- A1) up to 15% by volume of first phase components which, with the molecular formula Cu h Ni k Sn m , have a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % of 2 to 6,
- A2) up to 10% by volume of second phase components which, with the empirical formula Cu p Ni r Sn s , have a ratio (p+r)/s of the element contents in atomic % of 10 to 15 and
- A3) a remainder of copper mixed crystal;
- B) phases which, in relation to the overall structure,
- B1 ) with 2 to 40 vol to 6, as Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and as Cu-containing and Mg- phases containing Cu and Sn-containing and Mg-containing phases are contained in the microstructure, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds and are coated with precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system,
- B2) up to 80% by volume as continuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system are contained in the microstructure,
- B3) with 2 to 35% by volume as Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and as Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases are contained in the structure, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, are encased by precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system and have a size of have less than 3 microns;
- A) A metallic matrix with, based on the overall structure,
- that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe Silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds , represent nuclei for static and dynamic recrystallization of the structure during further processing of the alloy, resulting in a uniform and fine-grained structure;
- that the Si-containing and B-containing phases, which are formed as borosilicates and/or borophosphorus silicates, together with the phosphorus silicates and Mg oxides, play the role of anti-wear and anti-corrosion Coating on the semi-finished products and components of the alloy.
Vorteilhafterweise sind die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn mit zumindest 0,1 Volumen-% im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der Legierung enthalten.Advantageously, the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
Auch nach der Weiterverarbeitung der Legierung ist das Gefüge frei von Seigerungen. Unter derartigen Seigerungen werden Ansammlungen der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile im Gefüge verstanden, die als Korngrenzenseigerungen ausgebildet sind, welche besonders bei dynamischer Beanspruchung der Bauteile eine Schädigung des Gefüges in Form von Rissen verursachen, die zum Bruch führen können.Even after further processing of the alloy, the structure is free of segregation. Such segregations are accumulations of the first phase components and/or the second phase components in the structure, which are formed as grain boundary segregations, which damage the structure in cause cracks that can lead to breakage.
Das Gefüge der Legierung ist nach der Weiterverarbeitung frei von Gasporen, Schwindungsporen und Spannungsrissen. Hervorzuheben ist als wesentliches Merkmal der Erfindung, dass das Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ist.After further processing, the structure of the alloy is free of gas pores, shrinkage pores and stress cracks. It should be emphasized as an essential feature of the invention that the microstructure in the further processed state is free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system.
Bei dieser zweiten Variante liegt die Legierung im weiterverarbeiteten Zustand vor.In this second variant, the alloy is in the processed state.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit Si-haltigen und B-haltigen Phasen sowie mit Phasen der Systeme Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Mg-P, Ni-Si, Mg-Si und mit weiteren Fe-haltigen Phasen und Mg-haltigen Phasen bereitgestellt wird. Diese Phasen verbessern signifikant die Verarbeitungseigenschaften Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit. Weiterhin verbessern diese Phasen die Gebrauchseigenschaften der Legierung durch eine Erhöhung der Festigkeit und der Beständigkeit gegen den abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß. Diese Phasen verbessern zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit und die Spannungsrelaxationsbeständigkeit als weitere Gebrauchseigenschaften der Erfindung.The invention is based on the consideration that a copper-nickel-tin alloy with Si-containing and B-containing phases and with phases of the systems Ni-Si-B, Ni-B, Fe-B, Ni-P, Fe-P, Mg-P, Ni-Si, Mg-Si and is provided with other Fe-containing phases and Mg-containing phases. These phases significantly improve the processing properties castability, hot workability and cold workability. Furthermore, these phases improve the performance of the alloy by increasing strength and resistance to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear. These phases additionally improve corrosion resistance and stress relaxation resistance as other performance properties of the invention.
Die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung kann mittels des Sandguss-Verfahrens, Maskenformguss-Verfahrens, Feinguss-Verfahrens, Vollformguss-Verfahrens, Druckguss-Verfahrens, Lost-Foam-Verfahrens und Kokillenguss-Verfahrens oder mit Hilfe des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Strangguss-Verfahrens hergestellt werden.The copper-nickel-tin alloy according to the invention can be produced by means of the sand casting process, shell mold casting process, investment casting process, full mold casting process, die casting process, lost foam process and permanent mold casting process or with the aid of continuous or semi-continuous casting method are produced.
Der Einsatz von prozesstechnisch aufwendigen und kostenintensiven Urformtechniken ist zwar möglich, stellt aber für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung keine zwingende Notwendigkeit dar. So kann beispielsweise auf die Verwendung des Sprühkompaktierens oder des Dünnbandgießens verzichtet werden. Die Gussformate der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung können insbesondere über den gesamten Bereich des Sn-Gehaltes und Ni-Gehaltes direkt ohne die zwingend notwendige Durchführung einer Homogenisierungsglühung beispielsweise durch Warmwalzen, Strangpressen oder Schmieden warmumgeformt werden. Weiterhin ist bemerkenswert, dass nach dem Kokillenguss oder Strangguss der Formate aus der erfindungsgemäßen Legierung auch keine aufwendigen Schmiedeprozesse oder Stauchprozesse bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden müssen, um Poren und Risse im Material zu verschweißen, also zu schließen. Somit werden die verarbeitungstechnischen Einschränkungen weitgehend aufgehoben, die bislang bei der Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen aus Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen bestanden haben.Although the use of process-technically complex and cost-intensive primary shaping techniques is possible, it is not mandatory for the production of the copper-nickel-tin alloy according to the invention Necessity. For example, the use of spray compacting or thin strip casting can be dispensed with. The cast shapes of the copper-nickel-tin alloy according to the invention can be hot-formed directly over the entire range of Sn content and Ni content, for example by hot rolling, extrusion or forging, without carrying out a homogenization anneal that is absolutely necessary. Furthermore, it is noteworthy that after chill casting or continuous casting of the shapes from the alloy according to the invention, no complex forging processes or upsetting processes have to be carried out at elevated temperature in order to weld, ie close, pores and cracks in the material. This largely eliminates the processing restrictions that previously existed in the manufacture of semi-finished products and components made of copper-nickel-tin alloys.
Die metallische Grundmasse des Gefüges der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht im Gusszustand mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung, abhängig vom Gießprozess, aus zunehmenden Anteilen an mit Zinn angereicherten Phasen, die gleichmäßig im Kupfer-Mischkristall (α-Phase) verteilt sind.The metallic matrix of the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in the as-cast state with increasing Sn content of the alloy, depending on the casting process, from increasing proportions of tin-enriched phases, which are distributed evenly in the copper mixed crystal (α-phase). are.
Diese mit Zinn angereicherten Phasen der metallischen Grundmasse können in erste Phasenbestandteile und zweite Phasenbestandteile unterteilt werden. Die ersten Phasenbestandteile können mit der Summenformel CuhNikSnm angegeben werden und weisen ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 auf. Die zweiten Phasenbestandteile können mit der Summenformel CupNirSns angegeben werden und weisen ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 auf.These tin-enriched phases of the metallic matrix can be divided into first phase components and second phase components. The first phase components can be specified with the molecular formula Cu h Ni k Sn m and have a ratio (h+k)/m of the element content in atom % of 2 to 6. The second phase components can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and have a ratio (p+r)/s of the element content in atom % of 10 to 15.
Die erfindungsgemäße Legierung ist gekennzeichnet von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, die in zwei Gruppen unterteilt werden können.The alloy according to the invention is characterized by Si-containing and B-containing Phases that can be divided into two groups.
Die erste Gruppe betrifft die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind und in den Modifikationen SiB3, SiB4, SiB6 und SiBn vorliegen können. Das "n" in der Verbindung SiBn kennzeichnet die große Löslichkeit des Elementes Bor im Siliciumgitter.The first group relates to the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and can be present in the modifications SiB 3 , SiB 4 , SiB 6 and SiB n . The "n" in the compound SiB n indicates the high solubility of the element boron in the silicon lattice.
Die zweite Gruppe der Si-haltigen und B-haltigen Phasen betrifft die silikatischen Verbindungen der Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate.The second group of Si-containing and B-containing phases relates to the silicate compounds of borosilicates and/or borophosphorus silicates.
In der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung beträgt der Gefügeanteil der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride sowie als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, minimal 0,01 und maximal 10 Volumen-%.In the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the structural proportion of the Si-containing and B-containing phases, which are in the form of silicon borides and borosilicates and/or borophosphorus silicates, is a minimum of 0.01 and a maximum of 10% by volume.
Die gleichmäßig verteilte Anordnung der ersten Phasenbestandteile und/oder zweiten Phasenbestandteile im Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung resultiert besonders aus der Wirkung der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, und der Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, die sich zum großen Teil schon in der Schmelze ausscheiden. Nachfolgend kommt es während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze zur Ausscheidung der Ni-Boride und Fe-Boride bevorzugt an den bereits vorhandenen Siliziumboriden und Ni-Si-Boriden. Die Gesamtheit der boridischen Verbindungen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, dient während der weiteren Erstarrung/Abkühlung der Schmelze als primäre Keime.The evenly distributed arrangement of the first phase components and/or second phase components in the structure of the alloy according to the invention results in particular from the effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as silicon borides, and the Ni-Si borides with the empirical formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6, most of which are already precipitated in the melt. Subsequently, during the solidification/cooling of the melt, the Ni borides and Fe borides are precipitated, preferably on the silicon borides and Ni—Si borides already present. All of the boride compounds, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, serve as primary nuclei during the further solidification/cooling of the melt.
Im weiteren Verlauf der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze scheiden sich die Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, Mg-Silizide sowie die Cu-haltigen und Mg-haltigen Phasen und/oder Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen bevorzugt an den bereits vorhandenen primären Keimen der Siliziumboride, Ni-Si-Boride, Ni-Boride und Fe-Boride, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, als sekundäre Keime aus.In the further course of the solidification/cooling of the melt, the Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and the Cu-containing and Mg- containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases preferably on the already existing primary nuclei of the silicon borides, Ni-Si borides, Ni borides and Fe borides, individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds present as secondary germs.
Die Ni-Si-Boride sowie die Ni-Boride sind mit jeweils 1 bis 15 Volumen-% im Gefüge enthalten. Die Ni-Phosphide und Ni-Silizide sind mit einem Gefügeanteil von jeweils 1 bis 5 Volumen-% vorhanden. Die Fe-Boride, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide sowie die Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen nehmen jeweils einen Anteil am Gefüge von 0,1 bis 5 Volumen-% an. Weiterhin liegen die Mg-Silizide sowie die Cu-haltigen und Mg-haltigen Phasen und/oder Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen mit jeweils 0,1 bis 5 Volumen-% im Gefüge vor.The Ni-Si borides and the Ni borides are each contained in the structure at 1 to 15% by volume. The Ni phosphides and Ni silicides are each present with a structural proportion of 1 to 5% by volume. The Fe borides, Fe phosphides, Mg phosphides and the Fe silicides and/or Fe-rich particles each account for 0.1 to 5% by volume of the structure. Furthermore, the Mg silicides and the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases are each present in the structure with 0.1 to 5% by volume.
Somit liegen im Gefüge die Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Siliziumboride ausgebildet sind, die Ni-Si-Boride mit der Summenformel NixSi2B mit x = 4 bis 6, die Ni-Boride, Fe-Boride, Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reichen Teilchen, Mg-Silizide sowie die Cu-haltigen und Mg-haltigen Phasen und/oder Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vor.Thus, the structure contains the Si-containing and B-containing phases, which are formed as silicon borides, the Ni-Si borides with the molecular formula Ni x Si 2 B with x = 4 to 6, the Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides as well as the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds.
Diese Phasen werden nachfolgend als Kristallisationskeime bezeichnet.These phases are referred to below as crystallization nuclei.
Schließlich kristallisieren das Element Zinn und/oder die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse vorzugsweise in den Bereichen der Kristallisationskeime, wodurch die Kristallisationskeime von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelt sind.Finally, the element tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents of the metallic matrix preferentially crystallize in the regions of the nuclei, whereby the nuclei are coated by tin and/or the first phase constituents and/or the second phase constituents.
Diese von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder den zweiten Phasenbestandteilen ummantelten Kristallisationskeime werden nachfolgend als Hartpartikel erster Klasse bezeichnet.This encased by tin and / or the first phase components and / or the second phase components nuclei are hereinafter referred to as Hard particles called first class.
Die Hartpartikel erster Klasse besitzen im Gusszustand der erfindungsgemäßen Legierung eine Größe von kleiner 80 µm. Vorteilhafterweise beträgt die Größe der Hartpartikel erster Klasse weniger als 50 µm.In the cast state of the alloy according to the invention, the hard particles of the first class have a size of less than 80 μm. Advantageously, the size of the first-class hard particles is less than 50 μm.
Mit steigendem Sn-Gehalt der Legierung geht die inselförmige Anordnung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile in eine netzförmige Anordnung im Gefüge über.As the Sn content of the alloy increases, the island-like arrangement of the first phase components and/or the second phase components changes into a network-like arrangement in the structure.
Im Gussgefüge der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung können die ersten Phasenbestandteile einen Anteil bis zu 30 Volumen-% annehmen. Die zweiten Phasenbestandteile nehmen einen Gefügeanteil von bis zu 20 Volumen-% an. Vorteilhafterweise sind die ersten Phasenbestandteile und/oder die zweiten Phasenbestandteile mit zumindest 1 Volumen-% im Gefüge des Gusszustandes der Legierung enthalten.In the cast structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the first phase components can have a proportion of up to 30% by volume. The second phase components take on a structural proportion of up to 20% by volume. Advantageously, the first phase components and/or the second phase components are contained with at least 1% by volume in the as-cast structure of the alloy.
Infolge des Zusatzes des Legierungselementes Bor kommt es während des Gießens der erfindungsgemäßen Legierung zu einer gehemmten und damit nur unvollständigen Bildung der Phosphide und Silizide. Aus diesem Grunde verbleibt ein Gehalt an Phosphor und Silicium gelöst in der metallischen Grundmasse des Gusszustandes.As a result of the addition of the alloying element boron, the formation of the phosphides and silicides is inhibited and therefore only incomplete during the casting of the alloy according to the invention. For this reason, some phosphorus and silicon remain dissolved in the as-cast metal matrix.
Die konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen besitzen ein verhältnismäßig großes Erstarrungsintervall. Dieses große Erstarrungsintervall vergrößert beim Gießen die Gefahr einer Gasaufnahme sowie bedingt eine ungleichmäßige, grobe, meist dendritische Kristallisation der Schmelze. Die Folge sind oftmals Gasporen und grobe Sn-reiche Seigerungen, an deren Phasengrenze häufig Schwindungsporen und Spannungsrisse auftreten. Bei dieser Werkstoffgruppe treten die Sn-reichen Seigerungen zudem bevorzugt an den Korngrenzen auf.The conventional copper-nickel-tin alloys have a relatively large solidification interval. This large solidification interval increases the risk of gas absorption during casting and causes uneven, coarse, mostly dendritic crystallization of the melt. The result is often gas pores and coarse Sn-rich segregations, at the phase boundary of which shrinkage pores and stress cracks often occur. In this group of materials, the Sn-rich segregations also occur preferentially at the grain boundaries.
Mittels des kombinierten Gehaltes an Bor, Silicium und Phosphor werden verschiedene Vorgänge in der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung aktiviert, die deren Erstarrungsverhalten im Vergleich zu den konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen maßgeblich verändern.The combined content of boron, silicon and phosphorus activates various processes in the melt of the alloy according to the invention, which significantly change its solidification behavior compared to conventional copper-nickel-tin alloys.
Die Elemente Bor, Silicium und Phosphor übernehmen in der Schmelze der Erfindung eine desoxidierende Funktion. Durch die Zugabe von Bor und Silicium ist es möglich, den Gehalt an Phosphor abzusenken, ohne dabei die Intensität der Desoxidation der Schmelze zu erniedrigen. Anhand dieser Maßnahme gelingt eine Zurückdrängung der nachteiligen Auswirkungen einer ausreichenden Desoxidation der Schmelze mittels eines Phosphor-Zusatzes. So würde ein hoher P-Gehalt das ohnehin schon sehr große Erstarrungsintervall der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung zusätzlich erweitern, wodurch sich eine Erhöhung der Porenanfälligkeit und Seigerungsanfälligkeit dieses Werkstofftyps ergeben würde. Die nachteiligen Auswirkungen des Zusatzes von Phosphor werden durch die Begrenzung des P-Gehaltes in der erfindungsgemäßen Legierung auf den Bereich von 0,004 bis 0,3 Gew.-% vermindert.The elements boron, silicon and phosphorus perform a deoxidizing function in the melt of the invention. By adding boron and silicon, it is possible to reduce the phosphorus content without reducing the intensity of the deoxidation of the melt. This measure makes it possible to suppress the disadvantageous effects of sufficient deoxidation of the melt by means of a phosphorus additive. A high P content would further extend the already very large solidification interval of the copper-nickel-tin alloy, which would increase the susceptibility to porosity and segregation of this type of material. The adverse effects of adding phosphorus are reduced by limiting the P content in the alloy of the present invention to the range of 0.004 to 0.3 wt%.
Die Erniedrigung der Basisschmelztemperatur besonders durch das Element Bor sowie die Kristallisationskeime führen zu einer Verkleinerung des Erstarrungsintervalls der erfindungsgemäßen Legierung. Dadurch weist der Gusszustand der Erfindung ein sehr gleichmäßiges Gefüge mit einer feinen Verteilung der einzelnen Phasenbestandteile auf. Somit treten in der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere an den Korngrenzen keine mit Zinn angereicherten Seigerungen auf.The lowering of the base melting temperature, particularly due to the element boron and the crystallization nuclei, lead to a reduction in the solidification interval of the alloy according to the invention. As a result, the cast state of the invention has a very uniform structure with a fine distribution of the individual phase components. Thus, segregations enriched with tin do not occur in the alloy according to the invention, particularly at the grain boundaries.
In der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung bewirken die Elemente Bor, Silicium und Phosphor eine Reduzierung der Metalloxide. Die Elemente werden dabei selbst oxidiert, steigen zumeist zur Oberfläche der Gussstücke auf und bilden dort als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate sowie als Phosphorsilikate eine Schutzschicht, die die Gussteile vor einer Gasaufnahme schützt. Festgestellt wurden außergewöhnlich glatte Oberflächen der Gussstücke aus der erfindungsgemäßen Legierung, die auf die Ausbildung einer derartigen Schutzschicht hindeuten. Auch das Gefüge des Gusszustandes der Erfindung war über den gesamten Querschnitt der Gussteile frei von Gasporen.In the melt of the alloy according to the invention, the elements boron, silicon and phosphorus bring about a reduction in the metal oxides. The elements are oxidized themselves, mostly rise to the surface of the castings and form there as boron silicates and/or boron phosphorus silicates as well as phosphorus silicates a protective layer that protects the castings from gas absorption. Extraordinarily smooth surfaces of the castings made from the alloy according to the invention were found, which indicate the formation of such a protective layer. The structure of the as-cast state of the invention was also free of gas pores over the entire cross-section of the cast parts.
Im Rahmen der Ausführungen zu den genannten Druckschriften wurden die Vorteile der Einbringung von Borsilikaten und Phosphorsilikaten für die Vermeidung von Spannungsrissen zwischen Phasen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten während des Diffusionslötens benannt.The advantages of introducing boron silicates and phosphorus silicates for avoiding stress cracks between phases with different thermal expansion coefficients during diffusion soldering were mentioned as part of the comments on the publications mentioned.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht in der Übertragung der Wirkung von Borsilikaten, Borphosphorsilikaten und Phosphorsilikaten hinsichtlich des Angleichs der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner beim Diffusionslöten auf die Vorgänge beim Gießen, Warmumformen und thermischen Behandeln der Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe. Aufgrund des breiten Erstarrungsintervalls dieser Legierungen kommt es zwischen den versetzt kristallisierenden Sn-armen und Sn-reichen Strukturbereichen zu großen mechanischen Spannungen, die zu Rissen und Poren führen können. Weiterhin können diese Schädigungsmerkmale auch bei der Warmumformung und den Hochtemperaturglühungen der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen aufgrund des unterschiedlichen Warmumformverhaltens und des verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sn-armen und Sn-reichen Gefügebestandteile auftreten.A basic idea of the invention is the transfer of the effect of boron silicates, boron phosphorus silicates and phosphorus silicates with regard to the adjustment of the different thermal expansion coefficients of the joining partners during diffusion soldering to the processes during casting, hot forming and thermal treatment of the copper-nickel-tin materials. Due to the wide solidification interval of these alloys, large mechanical stresses occur between the staggered crystallizing Sn-poor and Sn-rich structural areas, which can lead to cracks and pores. Furthermore, these damage characteristics can also occur during hot forming and high-temperature annealing of copper-nickel-tin alloys due to the different hot forming behavior and the different thermal expansion coefficients of the Sn-poor and Sn-rich microstructure components.
Die kombinierte Zugabe von Bor, Silicium und Phosphor zu der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bewirkt einerseits während der Erstarrung der Schmelze mittels der Wirkung der Kristallisationskeime ein Gefüge mit einer gleichmäßigen inselförmigen und/oder netzförmigen Verteilung der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse. Zusätzlich zu den Kristallisationskeimen gewährleisten die sich während der Erstarrung der Schmelze bildenden Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, zusammen mit den Phosphorsilikaten den notwendigen Angleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Phasenbestandteile und/oder der zweiten Phasenbestandteile und des Kupfer-Mischkristalls der metallischen Grundmasse. Auf diese Weise wird die Ausbildung von Poren sowie Spannungsrissen zwischen den Phasen mit unterschiedlichem Sn-Gehalt verhindert.The combined addition of boron, silicon and phosphorus to the copper-nickel-tin alloy according to the invention causes, on the one hand, a structure with a uniform island-like and/or network-like distribution of the first phase components and/or the second phase components during the solidification of the melt by means of the effect of the crystallization nuclei phase components of metallic matrix. In addition to the crystallization nuclei, the Si-containing and B-containing phases formed during solidification of the melt, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, ensure, together with the phosphorus silicates, the necessary adjustment of the thermal expansion coefficients of the first phase components and/or the second Phase components and the copper mixed crystal of the metallic matrix. This prevents the formation of pores and stress cracks between the phases with different Sn contents.
Der erfindungsgemäße Legierungsgehalt der Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bewirkt weiterhin eine signifikante Änderung der Kornstruktur im gegossenen Zustand. So konnte festgestellt werden, dass sich im primären Gussgefüge eine Substruktur mit einer Korngröße der Subkörner von weniger als 30 µm ausbildet.The alloy content of the copper-nickel-tin alloy according to the invention also causes a significant change in the grain structure in the cast state. It could be determined that a substructure with a grain size of the subgrains of less than 30 µm is formed in the primary cast structure.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Legierung einer Weiterverarbeitung durch Glühen oder durch eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung unterzogen werden.Alternatively, the alloy according to the invention can be subjected to further processing by annealing or by hot working and/or cold working in addition to at least one annealing.
Eine Möglichkeit der Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung besteht darin, die Gussstücke mittels zumindest einer Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung in die Endform mit den anforderungsgerechten Eigenschaften zu überführen.One possibility for further processing of the copper-nickel-tin alloy according to the invention consists in converting the castings into the final shape with the required properties by means of at least one cold forming together with at least one annealing.
Bedingt durch das gleichmäßige Gussgefüge und der darin ausgeschiedenen Hartpartikel erster Klasse besitzt die erfindungsgemäße Legierung bereits im Gusszustand eine hohe Festigkeit. Die Gussstücke weisen dadurch eine niedrigere Kaltumformbarkeit auf, die eine wirtschaftliche Weiterverarbeitung erschwert. Aus diesem Grunde hat sich die Durchführung einer Homogenisierungsglühung der Gussformlinge vor einer Kaltumformung als vorteilhaft erwiesen.Due to the uniform cast structure and the first-class hard particles precipitated therein, the alloy according to the invention already has high strength in the cast state. As a result, the castings have lower cold formability, which makes further processing more difficult. For this reason, carrying out a homogenization annealing of the castings before cold forming has proved to be a good idea proven beneficial.
Zur Gewährleistung der Auslagerungsfähigkeit der Erfindung hat sich eine beschleunigte Abkühlung nach den Homogenisierungsglühprozessen als vorteilhaft erwiesen. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der Trägheit der Ausscheidungsmechanismen und Entmischungsmechanismen neben einer Wasserabschreckung auch Abkühlmethoden mit einer niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit eingesetzt werden können. So hat sich die Verwendung einer beschleunigten Luftabkühlung als ebenso praktikabel erwiesen, um in einem genügenden Maße die härtesteigernde und festigkeitserhöhende Wirkung der Ausscheidungsprozesse und Entmischungsprozesse im Gefüge während der Homogenisierungsglühung der Erfindung abzusenken.To ensure the ability of the invention to age, accelerated cooling after the homogenization annealing processes has proven to be advantageous. It has been shown that due to the inertia of the precipitation mechanisms and segregation mechanisms, cooling methods with a lower cooling rate can be used in addition to water quenching. The use of accelerated air cooling has thus proven to be just as practicable in order to sufficiently reduce the effect of the precipitation processes and demixing processes in the structure, which increase hardness and increase strength, during the homogenization annealing of the invention.
Die herausragende Wirkung der Kristallisationskeime für die Rekristallisation des Gefüges der Erfindung zeigt sich an dem Gefüge, das nach der Kaltumformung mittels einer Glühung in dem Temperaturbereich von 170 bis 880°C und einer Glühdauer zwischen 10 Minuten und 6 Stunden eingestellt werden kann. Die außerordentlich feine Struktur der rekristallisierten Legierung ermöglicht weitere Kaltumformschritte mit einem Umformgrad ε von zumeist über 70 %. Auf diese Weise können höchstfeste Zustände der Legierung hergestellt werden.The outstanding effect of the crystallization nuclei for the recrystallization of the structure of the invention can be seen in the structure, which can be adjusted after cold forming by means of annealing in the temperature range from 170 to 880° C. and an annealing time of between 10 minutes and 6 hours. The extraordinarily fine structure of the recrystallized alloy enables further cold forming steps with a degree of forming ε of mostly over 70%. In this way, extremely high-strength states of the alloy can be produced.
Durch diese möglich gewordenen hohen Kaltumformgrade bei der Weiterverarbeitung der Erfindung können besonders hohe Werte für die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2 sowie die Härte eingestellt werden. Insbesondere die Höhe des Parameters Rp0,2 ist für die Gleitelemente und Führungselemente bedeutsam. Des Weiteren stellt ein hoher Wert von Rp0,2 eine Voraussetzung für die notwendigen Federeigenschaften von Steckverbindern in der Elektronik und Elektrotechnik dar.Due to these high degrees of cold forming that have become possible during the further processing of the invention, particularly high values for the tensile strength R m , the yield point R p0.2 and the hardness can be set. In particular, the level of the parameter R p0.2 is significant for the sliding elements and guide elements. Furthermore, a high value of R p0.2 is a prerequisite for the necessary spring properties of connectors in electronics and electrical engineering.
In den Ausführungen zahlreicher Druckschriften, die den Stand der Technik bezüglich der Verarbeitung und den Eigenschaften der Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe beschreiben, wird auf die Notwendigkeit der Einhaltung eines Mindest-Kaltumformgrades von zum Beispiel 75 % verwiesen, um die Ausscheidung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn im Gefüge zu verhindern.In the statements of numerous publications, the prior art describe the processing and properties of the copper-nickel-tin materials, reference is made to the need to maintain a minimum degree of cold deformation of, for example, 75% in order to prevent discontinuous precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system in the structure to prevent.
Dagegen bleibt das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung unabhängig von dem Grad der Kaltumformung frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn. So konnte für besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung festgestellt werden, dass sogar bei äußerst kleinen Kaltumformgraden von unter 20 % das Gefüge der Erfindung frei von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn bleibt.In contrast, the structure of the alloy according to the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, regardless of the degree of cold working. It was thus possible to establish for particularly advantageous embodiments of the invention that the microstructure of the invention remains free of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system even with extremely small degrees of cold deformation of less than 20%.
Die konventionellen, spinodal entmischbaren Cu-Ni-Sn-Werkstoffe gelten nach dem Stand der Technik als sehr schwer bis überhaupt nicht warmumformbar.According to the state of the art, the conventional, spinodally separable Cu-Ni-Sn materials are considered to be very difficult or impossible to hot-work.
Die Wirkung der Kristallisationskeime konnte ebenfalls während des Prozesses der Warmumformung der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung beobachtet werden. Vornehmlich die Kristallisationskeime sind dafür verantwortlich zu machen, dass die dynamische Rekristallisation bei der Warmumformung der erfindungsgemäßen Legierung in dem Temperaturbereich von 600 bis 880°C begünstigt stattfindet. Dadurch erfolgt eine weitere Erhöhung der Gleichmäßigkeit und der Feinkörnigkeit des Gefüges.The effect of the crystallization nuclei could also be observed during the process of hot working the copper-nickel-tin alloy according to the invention. The crystallization nuclei are primarily to be held responsible for the fact that the dynamic recrystallization takes place favorably during hot forming of the alloy according to the invention in the temperature range from 600 to 880.degree. This results in a further increase in the uniformity and fine-grained structure.
Vorteilhafterweise kann die Abkühlung der Halbzeuge und Bauteile nach der Warmumformung an beruhigter oder beschleunigter Luft oder mit Wasser erfolgen.Advantageously, the semi-finished products and components can be cooled after hot forming in calmed or accelerated air or with water.
Wie nach dem Gießen, so konnte auch nach der Warmumformung der Gussstücke eine außergewöhnlich glatte Oberfläche der Teile festgestellt werden.As after the casting, an extraordinarily smooth surface of the parts could also be determined after the hot forming of the castings.
Diese Beobachtung deutet auf die Bildung von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, und von Phosphorsilikaten hin, die im Werkstoff während der Warmumformung stattfindet. Die Silikate bedingen zusammen mit den Kristallisationskeimen auch während der Warmumformung einen Angleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Phasen der metallischen Grundmasse der Erfindung. So waren die Oberfläche der warmumgeformten Teile und das Gefüge, wie nach dem Gießen, auch nach der Warmumformung frei von Rissen und Poren.This observation points to the formation of Si-containing and B-containing phases, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, and of phosphorus silicates, which takes place in the material during hot forming. The silicates, together with the crystallization nuclei, also cause the different thermal expansion coefficients of the phases of the metallic matrix of the invention to be equalized during hot working. The surface of the hot-formed parts and the structure were free of cracks and pores, just as they were after casting.
Vorteilhafterweise kann zumindest eine Glühbehandlung des Gusszustandes und/oder des warmumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 170 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden, alternativ mit einer Abkühlung an beruhigter oder beschleunigter Luft oder mit Wasser, durchgeführt werden.Advantageously, at least one annealing treatment of the cast state and/or the hot-formed state of the invention can be carried out in the temperature range from 170 to 880°C for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zur Weiterverarbeitung des Gusszustandes oder des warmumgeformten Zustandes oder des geglühten Gusszustandes oder des geglühten warmumgeformten Zustandes, das die Durchführung von zumindest einer Kaltumformung umfasst.One aspect of the invention relates to an advantageous method for further processing the as-cast state or the hot-formed state or the annealed as-cast state or the annealed hot-formed state, which comprises carrying out at least one cold-forming step.
Bevorzugt kann zumindest eine Glühbehandlung des kaltumgeformten Zustandes der Erfindung in dem Temperaturbereich von 170 bis 880°C mit der Dauer von 10 Minuten bis 6 Stunden, alternativ mit einer Abkühlung an beruhigter oder beschleunigter Luft oder mit Wasser, durchgeführt werden.At least one annealing treatment of the cold-formed state of the invention can preferably be carried out in the temperature range from 170 to 880° C. for a period of 10 minutes to 6 hours, alternatively with cooling in calmed or accelerated air or with water.
Vorteilhafterweise kann eine Entspannungsglühung/Auslagerungsglühung in dem Temperaturbereich von 170 bis 550°C mit der Dauer von 0,5 bis 8 Stunden durchgeführt werden.Stress relief annealing/ageing annealing can advantageously be carried out in the temperature range from 170 to 550° C. with a duration of 0.5 to 8 hours.
Nach einer Weiterverarbeitung der Legierung durch zumindest eine Glühung oder durch zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung nebst zumindest einer Glühung bilden sich Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn vorzugsweise in den Bereichen der Kristallisationskeime, wodurch die Kristallisationskeime von diesen Ausscheidungen ummantelt sind.After further processing of the alloy by at least one annealing or by at least one hot forming and/or cold forming together with at least one annealing, precipitates of the (Cu, Ni)-Sn system form preferably in the areas of the crystallization nuclei, as a result of which the crystallization nuclei are encased by these precipitations.
Diese von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelten Kristallisationskeime werden nachfolgend als Hartpartikel zweiter Klasse bezeichnet.These crystallization nuclei, encased by precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system, are referred to below as second-class hard particles.
Infolge der Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung nimmt die Größe der Hartpartikel zweiter Klasse im Vergleich zur Größe der Hartpartikel erster Klasse ab. Insbesondere mit zunehmendem Grad der Kaltumformung kommt es zur fortschreitenden Zerkleinerung der Hartpartikel zweiter Klasse, da diese als härteste Bestandteile der Legierung die Formänderung der sie umgebenden metallischen Grundmasse nicht mittragen können. Die resultierenden Hartpartikel zweiter Klasse und/oder die resultierenden Segmente der Hartpartikel zweiter Klasse weisen in Abhängigkeit vom Kaltumformgrad eine Größe von kleiner 40 µm bis sogar von kleiner 5 µm auf.As a result of the further processing of the alloy according to the invention, the size of the second-class hard particles decreases in comparison to the size of the first-class hard particles. In particular, with an increasing degree of cold forming, there is progressive comminution of the hard particles of the second class, since these, as the hardest components of the alloy, cannot support the change in shape of the surrounding metallic matrix. The resulting second-class hard particles and/or the resulting segments of the second-class hard particles have a size of less than 40 μm to even less than 5 μm, depending on the degree of cold forming.
Der Ni-Gehalt und der Sn-Gehalt der Erfindung bewegt sich jeweils in den Grenzen zwischen 2,0 und 10,0 Gew.-%. Ein Ni-Gehalt und/oder ein Sn-Gehalt von unter 2,0 Gew.-% hätten zu geringe Festigkeitswerte und Härtewerte zur Folge. Außerdem wären die Laufeigenschaften der Legierung bei einer Gleitbeanspruchung unzureichend. Der Widerstand der Legierung gegen den abrasiven und adhäsiven Verschleiß würde nicht den Anforderungen genügen. Bei einem Ni-Gehalt und/oder einem Sn-Gehalt von über 10,0 Gew.-% würden sich die Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung rapide verschlechtern, wodurch die dynamische Belastbarkeit der Bauteile aus dem Werkstoff herabgesetzt wird.The Ni content and the Sn content of the invention range between 2.0 and 10.0% by weight. A Ni content and/or a Sn content of less than 2.0% by weight would result in insufficient strength and hardness values. In addition, the running properties of the alloy would be insufficient under a sliding load. The alloy's resistance to abrasive and adhesive wear would not meet the requirements. With a Ni content and/or a Sn content of more than 10.0% by weight, the toughness properties of the alloy according to the invention would deteriorate rapidly, as a result of which the dynamic load capacity of the components made from the material is reduced.
Hinsichtlich der Gewährleistung einer optimalen dynamischen Belastbarkeit der Bauteile aus der erfindungsgemäßen Legierung erweist sich der Gehalt von Nickel und Zinn in dem Bereich von jeweils 3,0 bis 9,0 Gew.-% als vorteilhaft. Diesbezüglich wird für die Erfindung jeweils der Bereich von 4,0 bis 8,0 Gew.-% für den Gehalt der Elemente Nickel und Zinn besonders bevorzugt.The content of nickel and tin in the range of 3.0 to 9.0 wt. In this respect, the range of 4.0 to 8.0% by weight each for the content of the elements nickel and tin is particularly preferred for the invention.
Aus dem Stand der Technik ist zu den Ni-haltigen und Sn-haltigen Kupferwerkstoffen bekannt, dass der Grad der spinodalen Entmischung des Gefüges mit steigendem Verhältnis Ni/Sn der Elementgehalte in Gew.-% der Elemente Nickel und Zinn zunimmt. Dies ist für einen Ni-Gehalt und einen Sn-Gehalt ab ca. 2 Gew.-% gültig. Mit kleiner werdendem Ni/Sn-Verhältnis bekommt der Mechanismus der Ausscheidungsbildung des Systems (Cu, Ni)-Sn ein höheres Gewicht, was zu einer Verringerung des spinodal entmischten Gefügeanteils führt. Eine Folge ist insbesondere eine mit abnehmendem Ni/Sn-Verhältnis stärker ausgeprägte Bildung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.It is known from the prior art with regard to Ni-containing and Sn-containing copper materials that the degree of spinodal segregation of the structure increases with an increasing Ni/Sn ratio of the element contents in % by weight of the elements nickel and tin. This is valid for a Ni content and a Sn content from about 2% by weight. As the Ni/Sn ratio decreases, the mechanism of precipitation formation in the (Cu,Ni)-Sn system becomes more important, which leads to a reduction in the proportion of the spinodally segregated microstructure. One consequence is, in particular, a more pronounced formation of discontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system as the Ni/Sn ratio decreases.
Zu den wesentlichen Merkmalen der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung zählt die entscheidende Zurückdrängung des Einflusses des Ni/Sn-Verhältnisses auf die Bildung der diskontinuierlichen Ausscheidungen im Gefüge. So ist festgestellt worden, dass es im Gefüge der Erfindung weitgehend unabhängig vom Ni/Sn-Verhältnis sowie unabhängig von den Auslagerungsbedingungen nicht zur Ausscheidung von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn kommt.One of the essential features of the copper-nickel-tin alloy according to the invention is the decisive suppression of the influence of the Ni/Sn ratio on the formation of discontinuous precipitations in the structure. Thus, it has been found that in the microstructure of the invention, largely independent of the Ni/Sn ratio and independent of the aging conditions, there is no precipitation of discontinuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system.
Während einer Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung bilden sich dagegen mit bis zu 80 Volumen-% kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn. Vorteilhafterweise sind die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn mit zumindest 0,1 Volumen-% im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der Legierung enthalten.In contrast, during further processing of the alloy according to the invention, up to 80% by volume of continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system are formed. Advantageously, the continuous precipitates of the (Cu,Ni)-Sn system are contained with at least 0.1% by volume in the structure of the further processed state of the alloy.
Das Element Eisen ist der erfindungsgemäßen Legierung mit 0,01 bis 1,0 Gew.-% zulegiert. Eisen trägt zur Erhöhung des Anteils der Kristallisationskeime bei und unterstützt somit die feinkörnige Ausbildung des Gefüges beim Gießprozess. Die Fe-haltigen Hartpartikel im Gefüge bewirken eine Erhöhung der Festigkeit, der Härte und der Verschleißbeständigkeit der Legierung. Liegt der Fe-Gehalt unterhalb von 0,01 Gew.-%, so sind diese Auswirkungen auf das Gefüge und die Eigenschaften der Legierung nur in einem unzureichenden Ausmaß zu beobachten. Übersteigt der Fe-Gehalt die 1,0 Gew.-%, so enthält das Gefüge zunehmend clusterhafte Ansammlungen von Fe-reichen Teilchen. Der Fe-Anteil dieser Cluster würde nur in einem geringeren Maße für die Bildung der Kristallisationskeime sowie Hartpartikel zur Verfügung stehen. Außerdem würden sich die Zähigkeitseigenschaften der Erfindung verschlechtern. Vorteilhaft ist ein Fe-Gehalt von 0,02 bis 0,6 Gew.-%. Bevorzugt wird ein Fe-Gehalt in dem Bereich von 0,06 bis 0,4 Gew.-%.The element iron is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 1.0% by weight. Iron contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the fine-grain formation of the structure during the casting process. The Fe-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Fe content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are only observed to an insufficient extent. If the Fe content exceeds 1.0% by weight, the structure increasingly contains cluster-like accumulations of Fe-rich particles. The Fe content of these clusters would only be available to a lesser extent for the formation of crystallization nuclei and hard particles. In addition, the toughness properties of the invention would deteriorate. An Fe content of 0.02 to 0.6% by weight is advantageous. An Fe content in the range from 0.06 to 0.4% by weight is preferred.
Aufgrund der Ähnlichkeitsbeziehung zwischen den Elementen Nickel und Eisen können sich in dem Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung zusätzlich zu den Ni-Si-Boriden auch Fe-Si-Boride und/oder Ni-Fe-Si-Boride bilden. Die Ni-Fe-Si-Boride können mit der Summenformel (Ni, Fe)xSi2B mit x = 4 bis 6 angegeben werden.Due to the similarity relationship between the elements nickel and iron, Fe-Si borides and/or Ni-Fe-Si borides can also form in the structure of the alloy according to the invention in addition to the Ni-Si borides. The Ni-Fe-Si borides can be specified with the molecular formula (Ni,Fe) x Si 2 B with x=4 to 6.
Neben den Fe-Boriden und Fe-Phosphiden sind im Gefüge der Erfindung noch weitere Fe-haltige Phasen enthalten.In addition to the Fe borides and Fe phosphides, the structure of the invention also contains other Fe-containing phases.
Infolge der festgestellten Trägheit der Ausscheidung der Fe-Silizide und der Abhängigkeit der Ausscheidung der Fe-Silizide von den Prozessbedingungen bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung liegen diese weiteren Fe-haltigen Phasen als Fe-Silizide und/oder als Fe-reiche Teilchen im Gefüge vor.As a result of the determined inertia in the precipitation of the Fe silicides and the dependence of the precipitation of the Fe silicides on the process conditions during the production and further processing of the alloy according to the invention, these other Fe-containing phases are present as Fe silicides and/or as Fe-rich particles structure.
Das Element Magnesium ist der erfindungsgemäßen Legierung mit 0,01 bis 0,8 Gew.-% zulegiert. Magnesium trägt zur Erhöhung des Anteils der Kristallisationskeime bei und unterstützt somit die gleichmäßige Ausbildung des Gefüges beim Gießprozess. Die Mg-haltigen Hartpartikel im Gefüge bewirken eine Erhöhung der Festigkeit, der Härte und der Verschleißbeständigkeit der Legierung. Liegt der Mg-Gehalt unterhalb von 0,01 Gew.-%, so sind diese Auswirkungen auf das Gefüge und die Eigenschaften der Legierung nur in einem unzureichenden Ausmaß zu beobachten. Übersteigt der Mg-Gehalt die 0,8 Gew.-%, so verschlechtert sich die Gießbarkeit der Legierung. Außerdem würden sich die Zähigkeitseigenschaften der Legierung verschlechtern. Vorteilhaft ist ein Mg-Gehalt von 0,05 bis 0,6 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird ein Mg-Gehalt von 0,1 bis 0,4 Gew.-%.The element magnesium is added to the alloy according to the invention at 0.01 to 0.8% by weight. Magnesium contributes to increasing the proportion of crystallization nuclei and thus supports the uniform formation of the structure during the casting process. The Mg-containing hard particles in the structure increase the strength, hardness and wear resistance of the alloy. If the Mg content is below 0.01% by weight, these effects on the structure and the properties of the alloy are observed to an insufficient extent. When the Mg content exceeds 0.8% by weight, castability of the alloy deteriorates. In addition, the toughness properties of the alloy would deteriorate. An Mg content of 0.05 to 0.6% by weight is advantageous. A Mg content of 0.1 to 0.4% by weight is particularly preferred.
Neben den Mg-Phosphiden und Mg-Siliziden sind im Gefüge der Erfindung noch weitere Mg-haltige Phasen enthalten.In addition to the Mg phosphides and Mg silicides, the structure of the invention also contains other Mg-containing phases.
Vermutlich aufgrund der vergleichsweise niedrigen Schmelztemperatur des Elementes Magnesium konnte in der erfindungsgemäßen Legierung kein deutlich analysierbarer Gehalt an Mg-Boriden festgestellt werden. Dennoch wird es für möglich gehalten, dass sich unter bestimmten Prozessbedingungen bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der Erfindung Mg-Boride als weitere Mg-haltige Phasen bilden können. Diese Mg-Boride können in den Modifikationen MgB2 und/oder MgB12 mit einem Anteil von 0,1 bis 5 Volumen-% im Gefüge als Hartpartikel erster und zweiter Klasse vorliegen.Presumably due to the comparatively low melting temperature of the element magnesium, no clearly analyzable content of Mg borides could be determined in the alloy according to the invention. Nevertheless, it is considered possible that under certain process conditions during the production and further processing of the invention, Mg borides can form as further Mg-containing phases. These Mg borides can be present in the modifications MgB 2 and/or MgB 12 with a proportion of 0.1 to 5% by volume in the structure as hard particles of the first and second class.
Ausgehend von dem Strukturtyp Cu2Mg der Ausscheidungen in binären Cu-Mg-Werkstoffen, liegen auch im Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung als weitere Mg-haltige Phasen derartige Cu-haltige und Mg-haltige Phasen vor. Mit steigendem Sn-Gehalt der Erfindung können diese Phasen teilweise oder ganz von Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen ersetzt werden. Aus diesem Grunde sind im Gefüge der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen vorhanden.Starting from the Cu 2 Mg structure type of the precipitations in binary Cu-Mg materials, such Cu-containing and Mg-containing phases are also present in the structure of the alloy according to the invention as further Mg-containing phases. As the Sn content of the invention increases, these phases can be partially or fully replaced by Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases. Out of For this reason, Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases are present in the structure of the copper-nickel-tin alloy according to the invention.
Die Wirkung der Kristallisationskeime während der Erstarrung/Abkühlung der Schmelze, die Wirkung der Kristallisationskeime als Rekristallisationskeime sowie die Wirkung der silikatisch basierten Phasen zum Zwecke des Verschleißschutzes und Korrosionsschutzes kann in der erfindungsgemäßen Legierung erst ein technisch bedeutsames Maß erreichen, wenn der Silicium-Gehalt mindestens 0,01 Gew.-% und der Bor-Gehalt mindestens 0,002 Gew.-% beträgt. Übersteigt dagegen der Si-Gehalt die 1,5 Gew.-% und/oder der B-Gehalt die 0,45 Gew.-%, so führt dies zu einer Verschlechterung des Gießverhaltens. Der zu hohe Gehalt an Kristallisationskeimen würde die Schmelze maßgeblich dickflüssiger machen. Außerdem wären verminderte Zähigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung die Folge.The effect of the crystallization nuclei during the solidification/cooling of the melt, the effect of the crystallization nuclei as recrystallization nuclei and the effect of the silicate-based phases for the purpose of wear protection and corrosion protection can only reach a technically significant level in the alloy according to the invention if the silicon content is at least 0 .01% by weight and the boron content is at least 0.002% by weight. On the other hand, if the Si content exceeds 1.5% by weight and/or the B content exceeds 0.45% by weight, the casting performance deteriorates. The excessively high content of crystallization nuclei would make the melt significantly more viscous. In addition, reduced toughness properties of the alloy according to the invention would result.
Als vorteilhaft wird der Bereich für den Si-Gehalt in den Grenzen von 0,05 bis 0,9 Gew.-% bewertet. Als besonders vorteilhaft hat sich der Gehalt für Silicium von 0,1 bis 0,6 Gew.-% gezeigt.The range for the Si content within the limits of 0.05 to 0.9% by weight is rated as advantageous. A silicon content of 0.1 to 0.6% by weight has proven to be particularly advantageous.
Für das Element Bor wird der Gehalt von 0,01 bis 0,4 Gew.-% als vorteilhaft angesehen. Als besonders vorteilhaft hat sich der Gehalt für Bor von 0,02 bis 0,3 Gew.-% erwiesen.A content of 0.01 to 0.4% by weight is considered advantageous for the element boron. A boron content of 0.02 to 0.3% by weight has proven particularly advantageous.
Für die Sicherstellung eines genügenden Gehaltes an Ni-Si-Boriden sowie an Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, hat sich eine Untergrenze des Elementverhältnisses der Elemente Silicium und Bor als wichtig erwiesen. Aus diesem Grunde liegt das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% der erfindungsgemäßen Legierung bei 0,4.A lower limit for the element ratio of the elements silicon and boron has proven to be important in order to ensure a sufficient content of Ni-Si borides and of phases containing Si and B, which are in the form of borosilicates and/or borophosphorus silicates. For this reason, the minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of the alloy according to the invention is 0.4.
Vorteilhaft ist für die erfindungsgemäße Legierung das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 0,8. Bevorzugt wird das minimale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 1.The minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 0.8 is advantageous for the alloy according to the invention. The minimum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 1 is preferred.
Für ein weiteres bedeutsames Merkmal der Erfindung ist die Festlegung einer Obergrenze für das Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 8 wichtig. Anteile des Siliciums befinden sich nach dem Gießen gelöst in der metallischen Grundmasse sowie gebunden in den Hartpartikeln erster Klasse.Important for another important feature of the invention is the determination of an upper limit of 8 for the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight. After casting, parts of the silicon are dissolved in the metallic matrix and bound in the hard particles of the first class.
Während einer thermischen oder thermomechanischen Weiterverarbeitung des Gusszustandes kommt es zumindest zu einer teilweisen Auflösung der silizidischen Komponenten der Hartpartikel erster Klasse. Dadurch erhöht sich der Si-Gehalt der metallischen Grundmasse. Übersteigt dieser einen oberen Grenzwert, so kommt es zur Ausscheidung eines überhöhten Anteils besonders von Ni-Siliziden mit zunehmender Größe. Diese würden maßgeblich die Kaltumformbarkeit der Erfindung herabsetzen.During further thermal or thermomechanical processing of the cast state, at least a partial dissolution of the silicide components of the first-class hard particles occurs. This increases the Si content of the metallic matrix. If this exceeds an upper limit value, an excessive proportion, particularly of Ni silicides, is precipitated as the size increases. These would significantly reduce the cold formability of the invention.
Aus diesem Grunde liegt das maximale Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% der erfindungsgemäßen Legierung bei 8. Durch diese Maßnahme gelingt es, die Größe der sich während einer thermischen oder thermomechanischen Weiterverarbeitung des Gusszustandes der Legierung bildenden Silizide auf unter 3 µm abzusenken. Weiterhin wird hierdurch der Gehalt an Siliziden begrenzt. Als besonders vorteilhaft hat sich diesbezüglich die Begrenzung des Verhältnisses Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% auf den Maximalwert von 6 erwiesen.For this reason, the maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in wt to be reduced to below 3 µm. Furthermore, this limits the content of silicides. Limiting the Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight to the maximum value of 6 has proven to be particularly advantageous in this regard.
Die Ausscheidung der Kristallisationskeime beeinflusst die Viskosität der Schmelze der erfindungsgemäßen Legierung. Dieser Umstand unterstreicht, warum auf einen Zusatz von Phosphor nicht verzichtet werden darf. Phosphor bewirkt, dass die Schmelze trotz der Kristallisationskeime ausreichend dünnflüssig ist, was für die Gießbarkeit der Erfindung von großer Bedeutung ist. Der Gehalt an Phosphor der erfindungsgemäßen Legierung beträgt 0,004 bis 0,3 Gew.-%.The precipitation of the crystallization nuclei influences the viscosity of the melt of the alloy according to the invention. This circumstance underlines why the addition of phosphorus must not be dispensed with. Phosphorus causes the melt to be sufficiently thin despite the crystallization nuclei, which is of great importance for the castability of the invention. The phosphorus content of the alloy according to the invention is 0.004 to 0.3% by weight.
Unterhalb von 0,004 Gew.-% trägt der P-Gehalt nicht mehr zur Gewährleistung einer ausreichenden Gießbarkeit der Erfindung bei. Nimmt der Phosphor-Gehalt der Legierung Werte oberhalb von 0,3 Gew.-% an, so wird einerseits ein zu großer Ni-Anteil in Form von Phosphiden gebunden, wodurch die spinodale Entmischbarkeit des Gefüges herabgesetzt wird. Andererseits würde sich bei einem P-Gehalt oberhalb von 0,3 Gew.-% die Warmumformbarkeit der Erfindung maßgeblich verschlechtern. Aus diesem Grunde hat sich ein P-Gehalt von 0,01 bis 0,3 Gew.-% als besonders vorteilhaft erwiesen. Bevorzugt wird ein P-Gehalt in dem Bereich von 0,02 bis 0,2 Gew.-%.Below 0.004% by weight, the P content no longer contributes to ensuring sufficient castability of the invention. If the phosphorus content of the alloy assumes values above 0.3% by weight, then on the one hand an excessive Ni content is bound in the form of phosphides, which reduces the spinodal segregability of the structure. On the other hand, with a P content above 0.3% by weight, the hot workability of the invention would deteriorate significantly. For this reason, a P content of 0.01 to 0.3% by weight has proven particularly advantageous. A P content in the range from 0.02 to 0.2% by weight is preferred.
Dem Legierungselement Phosphor kommt noch aus einem anderen Grunde eine sehr wichtige Bedeutung zu. Zusammen mit dem geforderten maximalen Verhältnis Si/B der Elementgehalte der Elemente Silicium und Bor in Gew.-% von 8 ist es dem Phosphor-Gehalt der Legierung zuzuschreiben, dass sich nach einer Weiterverarbeitung der Erfindung Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, Mg-Silizide sowie Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen und von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind, mit einer Größe von maximal 3 µm sowie mit einem Gehalt von 2 bis zu 35 Volumen-% im Gefüge bilden können.The alloying element phosphorus is very important for another reason. Together with the required maximum Si/B ratio of the element contents of the elements silicon and boron in % by weight of 8, it is due to the phosphorus content of the alloy that Ni phosphides, Fe phosphides, Mg Phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, individually and/or are present as addition compounds and/or mixed compounds and are encased by precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system, with a maximum size of 3 µm and with a content of 2 to 35% by volume in the structure.
Diese Ni-Phosphide, Fe-Phosphide, Mg-Phosphide, Ni-Silizide, Fe-Silizide und/oder Fe-reiche Teilchen, Mg-Silizide sowie Cu-haltige und Mg-haltige Phasen und/oder Cu-haltige und Sn-haltige und Mg-haltige Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen vorliegen, von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt sind und eine Größe von maximal 3 µm aufweisen, werden nachfolgend als Hartpartikel dritter Klasse bezeichnet.These Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-rich particles, Mg silicides and Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, are encased by precipitations of the (Cu, Ni)-Sn system and have a maximum size of 3 µm , are referred to below as hard particles of the third class.
Die Hartpartikel dritter Klasse besitzen im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sogar eine Größe von weniger als 1 µm.In the structure of the further processed state of the particularly preferred embodiment of the invention, the hard particles of the third class even have a size of less than 1 μm.
Diese Hartpartikel dritter Klasse ergänzen einerseits die Hartpartikel zweiter Klasse in ihrer Funktion als Verschleißträger. So erhöhen sie die Festigkeit und Härte der metallischen Grundmasse und verbessern somit die Beständigkeit der Legierung gegen eine abrasive Verschleißbeanspruchung. Andererseits erhöhen die Hartpartikel dritter Klasse die Beständigkeit der Legierung gegenüber dem adhäsiven Verschleiß. Schließlich bewirken diese Hartpartikel dritter Klasse eine maßgebliche Erhöhung der Warmfestigkeit sowie der Spannungsrelaxationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere für Gleitelemente sowie Bauelemente und Verbindungselemente in der Elektronik/Elektrotechnik dar.On the one hand, these third-class hard particles supplement the second-class hard particles in their function as wear carriers. They increase the strength and hardness of the metallic matrix and thus improve the resistance of the alloy to abrasive wear. On the other hand, the third-class hard particles increase the alloy's resistance to adhesive wear. Finally, these third-class hard particles bring about a significant increase in the high-temperature strength and the stress relaxation resistance of the alloy according to the invention. This represents an important prerequisite for the use of the alloy according to the invention, in particular for sliding elements and components and connecting elements in electronics/electrical engineering.
Aufgrund des Gehaltes an Hartpartikeln erster Klasse im Gefüge des Gusszustandes und an Hartpartikeln zweiter und dritter Klasse im Gefüge des weiterverarbeiteten Zustandes besitzt die erfindungsgemäße Legierung den Charakter eines ausscheidungshärtbaren Werkstoffes. Vorteilhafterweise entspricht die Erfindung einer ausscheidungshärtbaren und spinodal entmischbaren Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung.Due to the content of hard particles of the first class in the structure of the cast state and of hard particles of the second and third class in the structure of the further processed state, the alloy according to the invention has the character of a precipitation-hardenable material. Advantageously, the invention corresponds to a precipitation hardenable and spinodally demixable copper-nickel-tin alloy.
Die Summe der Elementgehalte der Elemente Silicium, Bor und Phosphor beträgt vorteilhaft zumindest 0,25 Gew.-%.The sum of the element contents of the elements is silicon, boron and phosphorus advantageously at least 0.25% by weight.
In der Gussvariante und in der weiterverarbeiteten Variante der erfindungsgemäßen Legierung können folgende Wahlelemente enthalten sein:
Das Element Cobalt kann der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit einem Gehalt von bis zu 2,0 Gew.-% zugegeben werden. Infolge der Ähnlichkeitsbeziehung zwischen den Elementen Nickel, Eisen und Cobalt und aufgrund der bezüglich des Nickels und des Eisens ebenso Si-boridbildenden, boridbildenden, silizidbildenden und phosphidbildenden Eigenschaften von Cobalt, kann das Legierungselement Cobalt zugesetzt werden, um an der Bildung der Kristallisationskeime sowie der Hartpartikel erster, zweiter und dritter Klasse der Legierung teilzunehmen. Dadurch kann der Ni-Gehalt, der in den Hartpartikeln gebunden ist, verringert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Ni-Anteil, der effektiv in der metallischen Grundmasse für die spinodale Entmischung des Gefüges zur Verfügung steht, ansteigt. Mit dem Zusatz von vorteilhafterweise 0,1 bis 2,0 Gew.-% Co ist es somit möglich, die Festigkeit und die Härte der Erfindung erheblich zu steigern.The cast variant and the further processed variant of the alloy according to the invention can contain the following optional elements:
The element cobalt can be added to the copper-nickel-tin alloy according to the invention in a content of up to 2.0% by weight. Due to the similarity relationship between the elements nickel, iron and cobalt and due to the Si-boride-forming, boride-forming, silicide-forming and phosphide-forming properties of cobalt with regard to nickel and iron, the alloying element cobalt can be added to participate in the formation of crystallization nuclei and hard particles first, second and third class of the alloy. Thereby, the Ni content bound in the hard particles can be reduced. In this way it can be achieved that the Ni content that is effectively available in the metallic matrix for the spinodal segregation of the structure increases. With the addition of advantageously 0.1 to 2.0% by weight of Co, it is thus possible to increase the strength and hardness of the invention considerably.
Wahlweise kann die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung geringe, über der Verunreinigungsgrenze liegende Bleianteile bis maximal 0,25 Gew.-% aufweisen. Bei einer besonders bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung bis auf etwaige unvermeidbare Verunreinigungen frei von Blei, womit den aktuellen Umweltstandards entsprochen wird. In diesem Zusammenhang sind Bleigehalte bis maximal 0,1 Gew.-% an Pb angedacht.Optionally, the copper-nickel-tin alloy according to the invention can have small amounts of lead, which are above the impurity limit, up to a maximum of 0.25% by weight. In a particularly preferred advantageous embodiment of the invention, the copper-nickel-tin alloy is free of lead except for any unavoidable impurities, which means that current environmental standards are met. In this context, lead contents of up to a maximum of 0.1% by weight of Pb are contemplated.
Die Bildung von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie von Phosphorsilikaten führt nicht nur zu einer signifikanten Reduzierung des Gehaltes an Poren und Rissen im Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung. Diese silikatisch basierten Phasen übernehmen auch zusammen mit den Mg-Oxiden die Rolle eines verschleißschützenden und korrosionsschützenden Überzuges auf den Bauteilen.The formation of Si-containing and B-containing phases, which are in the form of borosilicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates, not only leads to a significant reduction in the content of pores and cracks in the structure of the alloy according to the invention. Together with the Mg oxides, these silicate-based phases also assume the role of a wear-resistant and anti-corrosive coating on the components.
Während der adhäsiven Verschleißbeanspruchung eines Bauteils aus der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung trägt das Legierungselement Zinn im besonderen Maße zur Ausbildung einer sogenannten Triboschicht zwischen den Gleitpartnern bei. Besonders unter Mischreibungsbedingungen ist dieser Mechanismus bedeutsam, wenn die Notlaufeigenschaften eines Werkstoffes verstärkt in den Vordergrund rücken. Die Triboschicht führt zur Verkleinerung der rein metallischen Kontaktfläche zwischen den Gleitpartnern, wodurch ein Verschweißen oder Fressen der Elemente verhindert wird.During the adhesive wear stress of a component made of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, the alloying element tin contributes to the formation of a so-called tribolayer between the sliding partners. This mechanism is particularly important under mixed friction conditions when the emergency running properties of a material are more important. The tribological layer leads to a reduction in the purely metallic contact surface between the sliding partners, which prevents the elements from welding or seizing.
Aufgrund der Effizienzsteigerung moderner Motoren, Maschinen und Aggregaten treten immer höhere Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen auf. Dies ist besonders in den neuentwickelten Verbrennungsmotoren zu beobachten, bei denen auf eine immer vollständigere Verbrennung des Treibstoffs hingearbeitet wird. Zusätzlich zu den erhöhten Temperaturen im Raum der Verbrennungsmotoren kommt noch die Wärmeentwicklung, die während des Betriebes der Gleitlagersysteme auftreten. Infolge der hohen Temperaturen im Lagerbetrieb kommt es in den Teilen aus der erfindungsgemäßen Legierung, ähnlich wie beim Gießen und bei der Warmumformung, zur Bildung von Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie von Phosphorsilikaten. Diese Verbindungen verstärken noch zusammen mit den Mg-Oxiden die Triboschicht, die sich vornehmlich aufgrund des Legierungselementes Zinn ausbildet, woraus eine gesteigerte adhäsive Verschleißbeständigkeit der Gleitelemente aus der erfindungsgemäßen Legierung resultiert.Due to the increase in efficiency of modern engines, machines and aggregates, higher and higher operating pressures and operating temperatures are occurring. This can be observed in particular in the newly developed internal combustion engines, in which work is being done towards more and more complete combustion of the fuel. In addition to the increased temperatures in the combustion engine room, there is also the heat that occurs during the operation of the plain bearing systems. As a result of the high temperatures in storage operation, the parts made of the alloy according to the invention form, similar to casting and hot forming, phases containing Si and B, which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as phosphorus silicates . These compounds, together with the Mg oxides, reinforce the tribological layer, which forms primarily due to the alloying element tin, resulting in increased adhesive wear resistance of the sliding elements made from the alloy according to the invention.
Damit gewährleistet die erfindungsgemäße Legierung eine Kombination der Eigenschaften Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaftskombination führt zu einem anforderungsgemäß hohen Widerstand gegen die Mechanismen des Gleitverschleißes und zu einem hohen Werkstoffwiderstand gegen die Reibkorrosion. Auf diese Weise ist die Erfindung hervorragend für den Einsatz als Gleitelement und Steckverbinder geeignet, da sie ein hohes Maß an Beständigkeit gegenüber dem Gleitverschleiß und dem Schwingreibverschleiß, dem sogenannten Fretting, aufweist.Thus, the alloy of the invention ensures a combination of Features Wear resistance and corrosion resistance. This combination of properties leads to a high resistance to the mechanisms of sliding wear, as required, and to a high material resistance to fretting corrosion. In this way, the invention is excellently suited for use as a sliding element and plug connector, since it has a high degree of resistance to sliding wear and oscillating wear, so-called fretting.
Neben dem wichtigen Beitrag der Hartpartikel dritter Klasse zur Erhöhung der Beständigkeit der Erfindung gegenüber dem abrasiven und adhäsiven Mechanismus des Gleitverschleißes, tragen die Hartpartikel dritter Klasse maßgeblich zur Erhöhung der Schwingfestigkeit bei. Die Hartpartikel dritter Klasse stellen zusammen mit den Hartpartikeln zweiter Klasse Hindernisse für die Ausbreitung von Ermüdungsrissen dar, die besonders beim Schwingreibverschleiß in das beanspruchte Bauteil eingebracht werden können. Damit ergänzen die Hartpartikel zweiter und dritter Klasse insbesondere die verschleißschützende und korrosionsschützende Wirkung der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, welche als Borsilikate und/oder Borphosphorsilikate ausgebildet sind, sowie der Phosphorsilikate und der Mg-Oxide hinsichtlich der Erhöhung der Beständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber dem Schwingreibverschleiß, dem sogenannten Fretting.In addition to the important contribution made by the hard particles of the third class to increasing the resistance of the invention to the abrasive and adhesive mechanism of sliding wear, the hard particles of the third class make a significant contribution to increasing the fatigue strength. The third-class hard particles, together with the second-class hard particles, represent obstacles to the propagation of fatigue cracks, which can be introduced into the stressed component, particularly in the case of dynamic friction wear. The hard particles of the second and third class supplement in particular the anti-wear and anti-corrosion effect of the Si-containing and B-containing phases, which are designed as boron silicates and/or boron phosphorus silicates, as well as the phosphorus silicates and the Mg oxides with regard to increasing the resistance of the alloy according to the invention compared to oscillating wear, so-called fretting.
Die Warmfestigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit gehören zu den weiteren wesentlichen Eigenschaften einer Legierung, die für Verwendungszwecke eingesetzt wird, bei denen höhere Temperaturen auftreten. Zur Gewährleistung einer ausreichend hohen Warmfestigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit wird eine hohe Dichte an feinen Ausscheidungen als vorteilhaft angesehen. Derartige Ausscheidungen sind in der erfindungsgemäßen Legierung die Hartpartikel dritter Klasse sowie die kontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn.High temperature strength and stress relaxation resistance are other important properties of an alloy used in higher temperature applications. A high density of fine precipitates is considered to be advantageous in order to ensure sufficiently high heat resistance and stress relaxation resistance. In the alloy according to the invention, such precipitations are the hard particles of the third class and the continuous precipitations of the (Cu,Ni)—Sn system.
Aufgrund des gleichmäßigen und feinkörnigen Gefüges mit einer weitgehenden Porenfreiheit, Rissfreiheit und Seigerungsfreiheit und dem Gehalt an Hartpartikeln erster Klasse besitzt die erfindungsgemäße Legierung schon im Gusszustand ein hohes Maß an Festigkeit, Härte, Duktilität, komplexer Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Durch diese Eigenschaftskombination können bereits aus den Gussformaten Gleitelemente und Führungselemente hergestellt werden. Der Gusszustand der Erfindung kann des Weiteren auch für die Herstellung von Armaturengehäusen sowie von Gehäusen von Wasserpumpen, Ölpumpen und Kraftstoffpumpen eingesetzt werden. Außerdem ist die erfindungsgemäße Legierung für Propeller, Flügel, Schiffsschrauben und Naben für den Schiffbau verwendbar.Due to the uniform and fine-grained structure with largely no pores, no cracks and no segregation and the content of first-class hard particles, the alloy according to the invention has a high degree of strength, hardness, ductility, complex wear resistance and corrosion resistance even in the cast state. This combination of properties means that sliding elements and guide elements can be produced from the cast format. Furthermore, the cast state of the invention can also be used for the production of fitting housings and housings of water pumps, oil pumps and fuel pumps. In addition, the alloy of the present invention can be used for propellers, blades, propellers and hubs for shipbuilding.
Für die Einsatzgebiete mit einer besonders starken komplexen und/oder dynamischen Bauteilbeanspruchung kann die weiterverarbeitete Variante der Erfindung Verwendung finden.The further processed variant of the invention can be used for areas of application with a particularly strong, complex and/or dynamic component stress.
Durch die herausragenden Festigkeitseigenschaften und die Verschleißbeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung kommt eine weitere Anwendungsmöglichkeit in Betracht. So ist die Erfindung für die metallenen Gegenstände in Konstruktionen für die Aufzucht von im Meerwasser lebenden Organismen (Aquaculture) geeignet. Weiterhin können aus der Erfindung Rohre, Dichtungen und Verbindungsbolzen hergestellt werden, die in der maritimen und chemischen Industrie benötigt werden.Due to the outstanding strength properties and wear resistance as well as corrosion resistance of the copper-nickel-tin alloy according to the invention, another possible application comes into consideration. Thus, the invention is suitable for the metal objects in constructions for the rearing of organisms living in sea water (aquaculture). Furthermore, pipes, seals and connecting bolts which are required in the maritime and chemical industries can be produced from the invention.
Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung von Schlaginstrumenten ist der Werkstoff von großer Bedeutung. Insbesondere Becken (engl. Cymbals) hochwertiger Qualität werden bislang aus zumeist zinnhaltigen Kupferlegierungen mittels Warmumformung und zumindest einer Glühung gefertigt, bevor sie zumeist mittels einer Glocke oder einer Schale in die Endform gebracht werden. Anschließend werden die Becken nochmals geglüht, bevor deren spanende Endbearbeitung erfolgt. Die Herstellung der verschiedenen Varianten der Becken (z.B. Ride-Becken, Hi-Hat, Crash-Becken, China-Becken, Splash-Becken und Effekt-Becken) erfordert demnach eine besonders vorteilhafte Warmumformbarkeit des Materials, die durch die erfindungsgemäße Legierung gewährleistet wird. Innerhalb der Bereichsgrenzen der chemischen Zusammensetzung der Erfindung können unterschiedliche Gefügeanteile der Phasen der metallischen Grundmasse und der unterschiedlichen Hartpartikel in einer sehr weiten Spanne eingestellt werden. Auf diese Weise ist es schon legierungsseitig möglich, auf das Klangbild der Becken einzuwirken.The material is of great importance for the use of the alloy according to the invention for the production of percussion instruments. In particular, cymbals (cymbals) of high quality have so far been made from mostly tin-containing copper alloys by means of hot forming and at least one annealing before they are usually put into the be brought to final shape. The basins are then annealed again before their final machining takes place. The production of the different variants of the cymbal (eg ride cymbal, hi-hat, crash cymbal, China cymbal, splash cymbal and effect cymbal) therefore requires a particularly advantageous hot workability of the material, which is ensured by the alloy according to the invention. Within the range limits of the chemical composition of the invention, different structural proportions of the phases of the metallic matrix and the different hard particles can be adjusted in a very wide range. In this way it is already possible to influence the sound of the cymbals on the alloy side.
Insbesondere für die Herstellung von Verbundgleitlagern kann die Erfindung verwendet werden, um mittels eines Fügeverfahrens auf einen Verbundpartner aufgebracht zu werden. So ist eine Verbundherstellung zwischen Scheiben, Platten oder Bändern der Erfindung und Stahlzylindern oder Stahlbändern, vorzugsweise aus einem Vergütungsstahl, mittels Schmieden, Löten oder Schweißen mit der wahlweisen Durchführung von zumindestens einer Glühung im Temperaturbereich von 170 bis 880°C möglich. Ebenso können beispielsweise Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen durch Walzplattieren, induktives oder konduktives Walzplattieren oder durch Laser-Walzplattieren, ebenfalls mit der wahlweisen Durchführung von zumindestens einer Glühung im Temperaturbereich von 170 bis 880°C, hergestellt werden.The invention can be used in particular for the production of composite plain bearings in order to be applied to a composite partner by means of a joining method. It is thus possible to produce a composite between disks, plates or strips of the invention and steel cylinders or steel strips, preferably made of heat-treated steel, by means of forging, soldering or welding with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C. Likewise, for example, composite bearing shells or composite bearing bushes can be produced by roll-bonding, inductive or conductive roll-bonding or by laser roll-bonding, also with the optional implementation of at least one annealing in the temperature range from 170 to 880°C.
Infolge der Gefügeausbildung in der erfindungsgemäßen Legierung ergeben sich weitere Möglichkeiten der Herstellung von Verbund-Gleitelementen wie Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen. So ist es möglich, auf einen Grundkörper aus der Erfindung mittels Feuerverzinnung oder galvanischer Verzinnung, Sputtern oder mit dem PVD-Verfahren oder CVD-Verfahren eine Beschichtung aus Zinn oder aus einem Sn-reichen Werkstoff aufzubringen, der beim Lagerbetrieb als Laufschicht dient.As a result of the formation of the microstructure in the alloy according to the invention, there are further possibilities for the production of composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes. It is thus possible to apply a coating of tin or a Sn-rich material to a base body of the invention by means of hot-dip tinning or galvanic tinning, sputtering or the PVD process or CVD process, which serves as a running layer in storage operations.
Auf diese Weise können hochleistungsfähige Verbund-Gleitelemente wie Lager-Verbundschalen oder Lager-Verbundbuchsen auch als Dreischichtsystem, mit einem Lagerrücken aus Stahl, dem eigentlichen Lager aus der erfindungsgemäßen Legierung und der Laufschicht aus Zinn oder aus der Sn-reichen Beschichtung hergestellt werden. Dieses Mehrschichtsystem wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Anpassungsfähigkeit und Einlauffähigkeit des Gleitlagers aus und verbessert die Einbettfähigkeit von Fremdpartikeln und Abrasivpartikeln, wobei es auch bei thermischer oder thermomechanischer Beanspruchung des Gleitlagers nicht zu einer Schädigung durch eine Aufhebung des Schichtverbundsystems infolge von Porenbildungen und Rissbildungen im Grenzbereich der einzelnen Schichten kommt.In this way, high-performance composite sliding elements such as composite bearing shells or composite bearing bushes can also be produced as a three-layer system, with a bearing back made of steel, the actual bearing made of the alloy according to the invention and the overlay made of tin or the Sn-rich coating. This multi-layer system has a particularly advantageous effect on the adaptability and running-in ability of the plain bearing and improves the embedding ability of foreign particles and abrasive particles, whereby there is no damage caused by the layer composite system being broken up as a result of pore formation and cracking in the boundary area of the individual layers.
Das große Potential der Kupfer-Nickel-Zinn-Werkstoffe besonders hinsichtlich der Festigkeit, der Federeigenschaften und der Spannungsrelaxationsbeständigkeit kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung auch für das Einsatzgebiet der verzinnten Bauelemente, Leitungselemente, Führungselemente und Verbindungselemente in der Elektronik und Elektrotechnik genutzt werden. So wird durch das Gefüge der Erfindung der Schädigungsmechanismus der Porenbildung und Rissbildung im Grenzbereich zwischen der erfindungsgemäßen Legierung und der Verzinnung auch bei erhöhten Temperaturen vermindert, wodurch einer Vergrößerung des elektrischen Übergangswiderstandes der Bauelemente oder gar einer Ablösung der Verzinnung entgegengewirkt wird.The great potential of copper-nickel-tin materials, particularly with regard to strength, spring properties and resistance to stress relaxation, can also be used for the field of tin-plated components, line elements, guide elements and connecting elements in electronics and electrical engineering by using the alloy according to the invention. The structure of the invention reduces the damage mechanism of pore formation and cracking in the boundary area between the alloy according to the invention and the tinning, even at elevated temperatures, which counteracts an increase in the electrical contact resistance of the components or even detachment of the tinning.
Eine maschinelle Bearbeitung der Halbzeuge und Bauteile aus den konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Knetlegierungen mit einem Ni-Gehalt und Sn-Gehalt bis jeweils ca. 10 Gew.-% ist aufgrund der ungenügenden Zerspanbarkeit nur mit großem Aufwand möglich. So verursacht besonders das Auftreten von langen Wendelspänen lange Maschinenstillstandszeiten, da die Späne erst von Hand aus dem Bearbeitungsbereich der Maschine entfernt werden müssen.Machining of the semi-finished products and components made of the conventional wrought copper-nickel-tin alloys with a Ni content and Sn content of up to approx. 10% by weight is only possible with great effort due to the insufficient machinability. The occurrence of long spiral chips in particular causes long machine downtimes, since the chips first have to be removed from the machining area of the machine by hand.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung dagegen dienen die unterschiedlichen Hartpartikel als Spanbrecher. Die somit entstehenden kurzen Bröckelspäne und/oder Wirrspäne erleichtern die Zerspanbarkeit, weshalb die Halbzeuge und Bauteile aus dem Gusszustand und dem weiterverarbeiteten Zustand der erfindungsgemäßen Legierung eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit aufweisen.In the case of the alloy according to the invention, on the other hand, the different hard particles serve as chip breakers. The resulting short crumbly chips and/or tangled chips facilitate machinability, which is why the semi-finished products and components from the cast state and the further processed state of the alloy according to the invention have better machinability.
Ein wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Tabellen 1 bis 10 erläutert. Es wurden Gussplatten der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung sowie des Referenzwerkstoffes durch Strangguss hergestellt. Die chemische Zusammensetzung der Abgüsse geht aus Tab. 1 hervor.An important exemplary embodiment of the invention is explained using Tables 1 to 10. Cast plates of the copper-nickel-tin alloy according to the invention and of the reference material were produced by continuous casting. The chemical composition of the casts is shown in Table 1.
In der Tab. 1 ist die chemische Zusammensetzung des Ausführungsbeispiels A sowie des Referenzwerkstoffes R dargestellt. Das Ausführungsbeispiel A ist durch einen Ni-Gehalt von 6,19 Gew.-%, einen Sn-Gehalt von 5,78 Gew.-%, einen Mg-Gehalt von 0,30 Gew.-%, einen Fe-Gehalt von 0,20 Gew.-%, einen Si-Gehalt von 0,29 Gew.-%, einen B-Gehalt von 0,12 Gew.-%, einen P-Gehalt von 0,12 Gew.-% sowie durch einen Rest Kupfer gekennzeichnet. Der Referenzwerkstoff R, eine konventionelle Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung, weist einen Ni-Gehalt von 5,78 Gew.-%, einen Sn-Gehalt von 5,75 Gew.-%, einen P-Gehalt von 0,032 Gew.-% und einen Rest an Kupfer auf.
Das Gefüge der Stranggussplatten des Referenzwerkstoffes R weist Gas- und Schwindungsporen sowie Sn-reiche Seigerungen besonders an den Korngrenzen auf.The structure of the continuously cast plates of the reference material R shows gas and shrinkage pores as well as Sn-rich segregations, especially at the grain boundaries.
Im Gegensatz zu dem Referenzwerkstoff R besitzt der Strangguss des Ausführungsbeispiels A aufgrund der Wirkung der Kristallisationskeime ein gleichmäßig erstarrtes, porenfreies und seigerungsfreies Gefüge.In contrast to the reference material R, the continuous casting of the exemplary embodiment A has a uniformly solidified, pore-free and segregation-free structure due to the effect of the crystallization nuclei.
Die metallische Grundmasse des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A besteht aus einem Kupfer-Mischkristall mit, bezogen auf das Gesamtgefüge, ca. 10 bis 15 Volumen-% inselförmig eingelagerten ersten Phasenbestandteilen, die mit der Summenformel CuhNikSnm angegeben werden können und ein Verhältnis (h+k)/m der Elementgehalte in Atom-% von 2 bis 6 aufweisen. Es konnten die Verbindungen CuNi14Sn23 und CuNi9Sn20 mit einem Verhältnis (h+k)/m von 3,4 und 4 ermittelt werden. Außerdem sind in der metallischen Grundmasse mit, bezogen auf das Gesamtgefüge, ca. 5 bis 10 Volumen-% zweite Phasenbestandteile inselförmig eingelagert, die mit der Summenformel CupNirSns angegeben werden können und ein Verhältnis (p+r)/s der Elementgehalte in Atom-% von 10 bis 15 aufweisen. Nachgewiesen wurden die Verbindungen CuNi3Sn8 und CuNi4Sn7 mit einem Verhältnis (p+r)/s von 11,5 und 13,3. Die ersten und zweiten Phasenbestandteile der metallischen Grundmasse sind überwiegend im Bereich der Kristallisationskeime kristallisiert und ummanteln diese.The metallic matrix of the as-cast state of the exemplary embodiment A consists of a copper mixed crystal with, based on the overall structure, approx. 10 to 15% by volume of island-shaped embedded first phase components, which can be specified with the empirical formula Cu h Ni k Sn m and a ratio (h+k)/m of the element contents in atomic % from 2 to 6. The compounds CuNi 14 Sn 23 and CuNi 9 Sn 20 with a ratio (h+k)/m of 3.4 and 4 could be determined. In addition, in the metallic matrix with, based on the overall structure, about 5 to 10% by volume of second phase components are embedded in islands, which can be specified with the molecular formula Cu p Ni r Sn s and a ratio (p + r) / s of Have element contents in atomic percent from 10 to 15. The compounds CuNi 3 Sn 8 and CuNi 4 Sn 7 with a ratio (p+r)/s of 11.5 and 13.3 were detected. The first and second phase components of the metallic matrix are predominantly crystallized in the area of the crystallization nuclei and encase them.
Die Analyse der Hartpartikel erster Klasse im Gusszustand des Ausführungsbeispiels A ergab Hinweise auf die Verbindung SiB6 als Vertreter der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, auf Ni6Si2B als Vertreter der Ni-Si-Boride, auf Ni3B als Vertreter der Ni-Boride, auf FeB als Vertreter der Fe-Boride, auf Ni3P als Vertreter der Ni-Phosphide, auf Fe2P als Vertreter der Fe-Phosphide, auf Mg3P2 als Vertreter der Mg-Phosphide, auf Ni2Si als Vertreter der Ni-Silizide, auf Fe-reiche Teilchen, auf Mg2Si als Vertreter der Mg-Silizide sowie auf Cu4SnMg als Vertreter der Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen im Gefüge vorliegen. Zusätzlich sind diese Hartpartikel von Zinn und/oder den ersten Phasenbestandteilen und/oder zweiten Phasenbestandteilen der metallischen Grundmasse ummantelt.The analysis of the first-class hard particles in the cast state of exemplary embodiment A gave indications of the compound SiB 6 as a representative of the Si-containing and B-containing phases, of Ni 6 Si 2 B as a representative of the Ni-Si borides, of Ni 3 B as a representatives of the Ni borides, to FeB as a representative of the Fe borides, to Ni 3 P as a representative of the Ni phosphides, to Fe 2 P as a representative of the Fe phosphides, to Mg 3 P 2 as a representative of the Mg phosphides Ni 2 Si as a representative of the Ni silicides, on Fe-rich Particles, on Mg 2 Si as a representative of the Mg silicides and on Cu 4 SnMg as a representative of the Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases, which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds in the structure. In addition, these hard particles are encased by tin and/or the first phase components and/or second phase components of the metallic matrix.
Während des Gießprozesses des Ausführungsbeispiels A bildete sich in den primären Gusskörnern eine Substruktur aus. Diese Subkörner weisen im Gussgefüge des Ausführungsbeispiels A der Erfindung eine Korngröße von weniger als 10 µm auf. Infolge der Subkornstruktur und der im Gefüge des Ausführungsbeispiels A der Erfindung ausgeschiedenen Hartpartikel liegt die Härte HB des Gusszustandes mit 131 deutlich über der Härte von 94 HB des Stranggusses von R (Tab. 2).
Ebenfalls in der Tab. 2 dargestellt sind die Härtewerte, die an dem bei 400°C mit einer Dauer von 3 Stunden ausgelagerten Strangguss der Legierungen A und R ermittelt wurden. Der Härteanstieg von 94 auf 145 HB fällt bei dem Referenzwerkstoff R am größten aus. Die Aufhärtung ist besonders auf eine thermisch aktivierte Seigerungsbildung der Sn-reichen und Ni-Sn-reichen Phase im Gefüge zurückzuführen. Die mit Zinn angereicherten Phasenbestandteile scheiden sich im Gefüge des Ausführungsbeispiels A deutlich feiner im Bereich der Hartpartikel aus. Aus diesem Grunde steigt die Härte von 131 auf 146 HB nicht so ausgeprägt an.Also shown in Tab. 2 are the hardness values that were determined on the continuously cast alloys A and R aged at 400°C for a period of 3 hours. The increase in hardness from 94 to 145 HB is greatest for the reference material R. The hardening is particularly due to thermally activated segregation of the Sn-rich and Ni-Sn-rich phase in the structure. The phase components enriched with tin are separated out in the structure of exemplary embodiment A in a much finer way in the area of the hard particles. For this reason, the hardness does not increase so markedly from 131 to 146 HB.
Ein Vorhaben der Erfindung besteht in der Beibehaltung der guten Kaltumformbarkeit der konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen trotz der Einbringung von Hartpartikeln. Zur Überprüfung des Erreichungsgrades dieses Ziels wurde das Fertigungsprogramm 1 gemäß der Tab. 3 durchgeführt. Dieses Fertigungsprogramm bestand aus einem Zyklus aus Kaltumformungen und Glühungen, wobei die Kaltwalzschritte jeweils mit dem maximal möglichen Kaltumformgrad erfolgten.One aim of the invention is to retain the good cold workability of conventional copper-nickel-tin alloys despite the introduction of hard particles.
Aufgrund der hohen Härte des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A wurde dieser bei der Temperatur von 740°C mit der Dauer von 2 Stunden geglüht und nachfolgend in Wasser beschleunigt abgekühlt. Dadurch erfolgte die Angleichung der Eigenschaften des Gusszustandes von A und R hinsichtlich der Festigkeit und der Härte.Due to the high hardness of the cast condition of example A, it was annealed at a temperature of 740° C. for a period of 2 hours and then cooled in water in an accelerated manner. As a result, the properties of the as-cast condition of A and R in terms of strength and hardness were equalized.
Die für das Ausführungsbeispiel A erreichbaren Kaltumformgrade ε von 42 und 93 % unterstreichen, dass die erfindungsgemäße Legierung trotz des Gehaltes an Hartpartikeln die Formänderungseigenschaften der konventionellen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung R erreichen und nach der Zwischenglühung sogar übertreffen kann.The degrees of cold forming ε of 42 and 93% that can be achieved for example A underline that the alloy according to the invention, despite the content of hard particles, can achieve the deformation properties of the conventional copper-nickel-tin alloy R and even surpass them after intermediate annealing.
Die Temperaturempfindlichkeit des Referenzwerkstoffes R hinsichtlich der Bildung der Sn-reichen und Ni-Sn-reichen Seigerungen zeigte sich auch bei der Glühung zwischen den beiden Kaltumformschritten (Nr. 4 in Tab. 3). Aus diesem Grunde musste die Glühtemperatur von 740°C, die für die Zwischenglühung der kaltgewalzten Platte der Legierung A verwendet wurde, für R auf 690°C abgesenkt werden.
Nach der Durchführung des Fertigungsprogrammes 1 erfolgte die Ermittlung der Kennwerte der Bänder der Werkstoffe A und R nach dem letzten Kaltwalzen und nach erfolgter Auslagerung, die in der Tab. 4 aufgeführt sind.After the execution of
Es wird deutlich, dass die Festigkeiten und die Härte der kaltgewalzten und der bei 300°C ausgelagerten Bänder des Ausführungsbeispiels A höher sind als die jeweiligen Eigenschaften der Bänder des Referenzwerkstoffes R.It is clear that the strength and hardness of the cold-rolled strips and those stripped at 300°C from example A are higher than the respective properties of the strips of reference material R.
Begünstigt durch den hohen Gehalt an Hartpartikeln, findet ab der Temperatur von ca. 400°C eine Rekristallisation des Gefüges der Legierung A statt. Diese Rekristallisation führt zu einem Abfall der Festigkeiten und der Härte, so dass die Wirkung der Ausscheidungshärtung und der spinodalen Entmischung nicht in vollem Maße zum Tragen kommen kann.Favored by the high content of hard particles, a recrystallization of the structure of alloy A takes place from a temperature of approx. 400°C. This recrystallization leads to a drop in strength and hardness, so that the effects of precipitation hardening and spinodal segregation cannot be fully felt.
Im Gefüge des weiterverarbeiteten Ausführungsbeispiels A sind nach einer Auslagerung bei 450°C die Hartpartikel zweiter Klasse enthalten (in
Des Weiteren haben sich im Gefüge der weiterverarbeiteten Legierung A weitere Phasen ausgeschieden. Dazu zählen die in
Für die weiterverarbeitete erfindungsgemäße Legierung ist die Größe der Hartpartikel dritter Klasse von kleiner 3 µm charakteristisch. Sie beträgt für das weiterverarbeitete Ausführungsbeispiel A der Erfindung nach einer Auslagerung bei 450°C sogar weniger als 1 µm (in
Um den Einfluss der Kaltumformbarkeit und der Rekristallisationstemperatur auf die Eigenschaften der einzelnen Legierungen zu vermindern, wurde ein weiteres Fertigungsprogramm durchgeführt. Dieses Fertigungsprogramm 2 verfolgte das Ziel, die Stranggussplatten der Werkstoffe A und R mittels Kaltumformungen und Glühungen zu Bändern zu verarbeiten, wobei jeweils identische Parameter für die Kaltumformgrade und die Glühtemperaturen verwendet wurden (Tab. 5).In order to reduce the influence of cold workability and the recrystallization temperature on the properties of the individual alloys, another production program was carried out. This
Aufgrund der hohen Härte des Gusszustandes des Ausführungsbeispiels A wurde dieser wiederum noch vor dem ersten Kaltwalzschritt bei der Temperatur von 740°C mit der Dauer von 2 Stunden geglüht und nachfolgend in Wasser beschleunigt abgekühlt.
Nach dem letzten Kaltwalzschritt an die Enddicke von 3,0 mm weisen die Bänder des Ausführungsbeispiels A die höchsten Festigkeitswerte und Härtewerte auf (Tab. 6).After the last cold rolling step to the final thickness of 3.0 mm, the strips of example A have the highest strength values and hardness values (Tab. 6).
Durch die dreistündige Auslagerung bei 400°C fällt infolge der spinodalen Entmischung des Gefüges der Anstieg der Festigkeiten Rm (von 498 auf 717 MPa) und Rp0,2 (von 439 auf 649 MPa) sowie der Härte HB (von 166 auf 230 MPa) bei der Legierung R am deutlichsten aus (Tab. 6). Allerdings ist das Gefüge der ausgelagerten Zustände der Legierung R sehr ungleichmäßig mit einer Korngröße, die zwischen 5 und 30 µm beträgt. Außerdem ist das Gefüge der ausgelagerten Zustände des Referenzwerkstoffes R von diskontinuierlichen Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn geprägt (in
Das Gefüge der ausgelagerten Bänder des Ausführungsbeispiels A der Erfindung ist dagegen mit einer Korngröße von 2 bis 8 µm sehr gleichmäßig. Außerdem fehlen in der Struktur des Ausführungsbeispiels A die diskontinuierlichen Ausscheidungen sogar nach einer dreistündigen Auslagerung bei 450°C mit anschließender Luftabkühlung. Im Gefüge sind dagegen die Hartpartikel zweiter Klasse nachweisbar. Diese Phasen sind in
Des Weiteren haben sich im Gefüge der weiterverarbeiteten Legierung A weitere Phasen ausgeschieden. Dazu zählen die in
Die Festigkeiten Rm und Rp0,2 der Bänder der Legierung A nehmen nach der Auslagerung bei 400°C/3h/Luft infolge der spinodalen Entmischung des Gefüges die Werte von 704 und 618 MPa an. Damit liegen Rm und Rp0,2 niedriger als die Kennwerte des entsprechend ausgelagerten Zustandes der Legierung R. Dies liegt darin begründet, dass in dem Ausführungsbeispiel A der Ni-Gehalt, der in den Hartpartikeln gebunden ist, für die festigkeitssteigernde spinodale Entmischung des Gefüges fehlt. Sollte im Bedarfsfall das Festigkeitsniveau von R gefordert sein, so ist es möglich, der erfindungsgemäßen Legierung einen höheren Anteil des Legierungselementes Nickel zuzusetzen.
Der nächste Schritt beinhaltete die Erprobung der Warmumformbarkeit des Stranggusses der Legierungen A und R. Dazu erfolgte das Warmwalzen der Gussplatten bei der Temperatur von 720°C (Tab. 7). Für die weiteren Prozessschritte der Kaltumformung und Zwischenglühung wurden die Parameter des Fertigungsprogrammes 2 übernommen.
Während des Warmwalzens der Gussplatten der Referenzlegierung R bildeten sich schon nach wenigen Stichen tiefe Warmrisse, die zum Versagen der Platten durch Bruch führten.During the hot rolling of the cast plates of the reference alloy R, deep hot cracks formed after just a few passes, which led to the plates failing due to fracture.
Dagegen konnten die Gussplatten des Ausführungsbeispiels A der Erfindung schädigungsfrei warmgewalzt und nach mehreren Kaltwalz- und Glühprozessen an die Enddicke von 3,0 mm gefertigt werden. Die Eigenschaften der ausgelagerten Bänder (Tab. 8) entsprechen weitgehend denen der Bänder, die ohne eine Warmumformung mit dem Fertigungsprogramm 2 hergestellt wurden (Tab. 6).On the other hand, the cast plates of the embodiment A of the invention hot-rolled without damage and after several cold-rolling and annealing processes to the final thickness of 3.0 mm. The properties of the outsourced strips (Tab. 8) largely correspond to those of the strips that were produced without hot forming using production program 2 (Tab. 6).
Ebenso vergleichbar ist auch das Gefüge der Bänder aus dem Ausführungsbeispiel A der erfindungsgemäßen Legierung, die ohne und mit einem Warmumformschritt gefertigt wurden. So geht aus
Weiterhin gehen aus
Die Analyse der Hartpartikel zweiter und dritter Klasse in diesem weiterverarbeiteten Zustand des Ausführungsbeispiels A ergab Hinweise auf die Verbindung SiB6 als Vertreter der Si-haltigen und B-haltigen Phasen, auf Ni6Si2B als Vertreter der Ni-Si-Boride, auf Ni3B als Vertreter der Ni-Boride, auf FeB als Vertreter der Fe-Boride, auf Ni3P als Vertreter der Ni-Phosphide, auf Fe2P als Vertreter der Fe-Phosphide, auf Mg3P2 als Vertreter der Mg-Phosphide, auf Ni2Si als Vertreter der Ni-Silizide, auf Fe-reiche Teilchen, auf Mg2Si als Vertreter der Mg-Silizide sowie auf Cu4SnMg als Vertreter der Cu-haltigen und Sn-haltigen und Mg-haltigen Phasen, die einzeln und/oder als Anlagerungsverbindungen und/oder Mischverbindungen im Gefüge vorliegen. Zusätzlich sind diese Hartpartikel von Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn ummantelt.
Im Anlagen-, Geräte-, Motoren- und Maschinenbau werden für zahlreiche Anwendungen Bauelemente mit größeren Abmessungen benötigt. Beispielsweise ist dies auf dem Gebiet der Gleitlager oft der Fall. Die Herstellung der entsprechenden Bauteile erfordert ein Vormaterial entsprechend großer Formate. Aufgrund der begrenzten Herstellbarkeit beliebig großer Gussteile besteht daher die Notwendigkeit, die geforderten Materialeigenschaften möglichst auch mittels kleiner Kaltumformgrade einzustellen.In plant, device, engine and mechanical engineering, components with larger dimensions are required for numerous applications. For example, this is often the case in the field of plain bearings. The production of the corresponding components requires a starting material of correspondingly large formats. Due to the limited manufacturability of castings of any size, there is therefore a need to adjust the required material properties as far as possible by means of small degrees of cold forming.
In der Tab. 9 sind die im Rahmen des Fertigungsprogrammes 4 verwendeten Prozessschritte aufgelistet. Die Fertigung erfolgte mit einem Zyklus aus Kaltumformungen und Glühungen. Wiederum wurden nur die Gussplatten der Legierung A vor dem ersten Kaltwalzen bei 740°C geglüht.Table 9 lists the process steps used as part of
Das erste Kaltwalzen der Gussplatte der Legierung R und der geglühten Gussplatte der Legierung A wurde mit einer Umformung ε von 16 % realisiert. Nach einer Glühung bei 690°C erfolgte ein Kaltwalzen mit ε von 12 %. Abschließend fand eine Auslagerung der Bänder bei den Temperaturen von 350, 400 und 450°C statt.
Die geringe Kaltumformung des ersten Kaltwalzschrittes von ε= 16 % genügte nicht, um zusammen mit der nachfolgenden Glühung bei 690°C das dendritische und grobkörnige Gefüge des Referenzwerkstoffes R zu beseitigen. Zudem verstärkte sich durch diese thermomechanische Behandlung die Belegung der Korngrenzen der Legierung R mit Sn-reichen Seigerungen.The low cold forming of the first cold rolling step of ε= 16% was not enough to eliminate the dendritic and coarse-grained structure of the reference material R together with the subsequent annealing at 690°C. In addition, this thermomechanical treatment increased the coverage of the grain boundaries of alloy R with Sn-rich segregations.
Entlang der dendritischen Struktur sowie entlang der mit Sn-reichen Seigerungen belegten Korngrenzen von R bildeten sich während des zweiten Kaltwalzschrittes Risse, die von der Oberfläche tief ins Bandinnere verlaufen.During the second cold rolling step, cracks developed along the dendritic structure and along the grain boundaries of R, which are covered with Sn-rich segregations. These cracks run from the surface deep into the interior of the strip.
Das rissfreie und gleichmäßige Gefüge der Bänder des Ausführungsbeispiels A ist von der Anordnung der Hartpartikel zweiter und dritter Klasse gekennzeichnet. Wie schon nach den vorangegangenen Fertigungsprogrammen, so weisen die Hartpartikel dritter Klasse auch nach diesem Fertigungsprogramm 4 eine Größe von kleiner 1 µm auf.The crack-free and uniform structure of the belts of example A is characterized by the arrangement of the hard particles of the second and third class. As in the previous production programs, the third-class hard particles also have a size of less than 1 μm in this
Die resultierenden Eigenschaften der Bänder nach dem letzten Kaltwalzen und nach dem Auslagern sind in der Tab. 10 dargestellt. Infolge der hohen Dichte von Rissen war es nicht möglich, schädigungsfreie Zugproben von den Bändern des Werkstoffes R zu entnehmen. Somit konnten lediglich die metallographische Untersuchung und die Härtemessung an diesen Bändern vorgenommen werden.The resulting strip properties after the last cold rolling and after aging are shown in Table 10. Due to the high density of cracks, it was not possible to take damage-free tensile specimens from the ribbons of material R. Thus, only the metallographic examination and the hardness measurement could be carried out on these strips.
Das Ausführungsbeispiel A weist ein hohes Maß an Auslagerungsfähigkeit auf, die sich durch ein Zusammenwirken der Mechanismen der Ausscheidungshärtung und der spinodalen Entmischung des Gefüges äußert. So steigen die Kennwerte Rm und Rp0,2 durch eine Auslagerung bei 400°C von 524 auf 655 und von 465 auf 589 MPa an.
Resultierend kann ausgeführt werden, dass mittels einer Variation der chemischen Zusammensetzung, der Umformgrade für die Kaltumformung (-en) sowie mittels einer Variation der Auslagerungsbedingungen der Grad der Ausscheidungshärtung und der Grad der spinodalen Entmischung des Gefüges der Erfindung an die geforderten Materialeigenschaften angepasst werden kann. Auf diesem Wege ist es möglich, insbesondere die Festigkeit, Härte, Duktilität sowie die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung gezielt auf das vorgesehene Einsatzgebiet auszurichten.As a result, it can be stated that the degree of precipitation hardening and the degree of spinodal segregation of the structure of the invention can be adapted to the required material properties by varying the chemical composition, the degree of deformation for the cold forming(s) and by varying the aging conditions. In this way, it is possible to tailor the strength, hardness, ductility and electrical conductivity of the alloy according to the invention to the intended area of use.
- 11
- Diskontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-SnDiscontinuous precipitations of the (Cu,Ni)-Sn system
- 22
- Ni-PhosphideNi phosphides
- 33
- Hartpartikel zweiter KlasseSecond class hard particles
- 44
- Kontinuierliche Ausscheidungen des Systems (Cu, Ni)-Sn sowie Hartpartikel dritter KlasseContinuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn as well as third-class hard particles
- 55
- Hartpartikel dritter KlasseThird class hard particles
Claims (18)
- High-strength copper/nickel/tin alloy in the cast state with excellent castability, hot-formability and cold-formability, high resistance with respect to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion-resistance and stress relaxation resistance, comprising (in % by weight):from 2.0 to 10.0% Ni,from 2.0 to 10.0% Sn,from 0.01% to 1.0% Fe,from 0.01% to 0.8% Mg,from 0.01 to 1.5% Si,from 0.002 to 0.45% B,from 0.004 to 0.3% P,optionally also up to a maximum of 2.0% Co,optionally also up to a maximum of 0.25% Pb,the balance being copper and inevitable impurities,characterised in that,- the ratio Si/B of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;- in that, after the casting operation, the following structural components are present in the alloy:a) an Si-containing and P-containing metal matrix having, with respect to the overall structure,a1) up to 30% by volume first phase components which with the molecular formula CUhNikSnm have a ratio (h+k)/m of the element contents in atom. % of from 2 to 6,a2) up to 20% by volume of second phase components which with the molecular formula CupNirSns have a ratio (p+r) /s of the element contents in atom. % of from 10 to 15, anda3) a balance of mixed copper crystal;b) phases which, with respect to the overall structure, are contained in the structureb1) at from 0.01 to 10% by volume as Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides and boron silicates and/or boron phosphorus silicates,b2) at from 1 to 15% by volume in the form of Ni-Si borides with the molecular formula NixSi2B with x = 4 to 6,b3) at from 1 to 15% by volume in the form of Ni borides,b4) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Fe borides,b5) at from 1 to 5% by volume in the form of Ni phosphides,b6) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Fe phosphides,b7) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Mg phosphides,b8) at from 1 to 5% by volume in the form of Ni silicides,b9) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Fe silicides and/or Fe-enriched particles,b10) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Mg silicides,b11) at from 0.1 to 5% by volume in the form of Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases which are present individually and/or as addition compounds and/or as mixed compounds and which are surrounded by tin and/or the first phase components and/or the second phase components;- in that, during casting, the Si-containing phases and B-containing phases which are in the form of silicon borides, Ni/Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-enriched particles, Mg silicides and the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing phases and Sn-containing phases and Mg-containing phases which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, constitute nuclei for a uniform crystallisation during the solidification/cooling of the melt so that the first phase components and/or the second phase components are distributed in an insular and/or reticular manner uniformly in the structure;- in that the Si-containing and B-containing phases which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates, together with the phosphorus silicates and Mg oxides, act as a wear-protection and corrosion-protection coating on the semi-finished products and components of the alloy.
- High-strength copper/nickel/tin alloy after annealing or after hot-forming and/or cold-forming in addition to annealing with excellent castability, hot-formability and cold-formability, high resistance with respect to abrasive wear, adhesive wear and fretting wear and improved corrosion resistance and stress relaxation resistance, comprising (in % by weight):from 2.0 to 10.0% Ni,from 2.0 to 10.0% Sn,from 0.01% to 1.0% Fe,from 0.01% to 0.8% Mg,from 0.01 to 1.5% Si,from 0.002 to 0.45% B,from 0.004 to 0.3% P,optionally also up to a maximum of 2.0% Co,optionally also up to a maximum of 0.25% Pb,the balance being copper and inevitable impurities,characterised in that,- the ratio Si/B of the element contents in % by weight of the elements silicon and boron is a minimum of 0.4 and a maximum of 8;- in that, after the further processing of the alloy by means of at least one annealing operation or by at least one hot-forming and/or cold-forming operation in addition to at least one annealing operation, the following structural components are present in the alloy:A) a metal matrix having, with respect to the overall structure,A1) up to 15% by volume first phase components which have with the molecular formula CuhNikSnm a ratio (h+k)/m of the element contents in atom. % of from 2 to 6,A2) up to 10% by volume of second phase components which with the molecular formula CupNirSns have a ratio (p+r)/s of the element contents in atom. % of from 10 to 15, andA3) a balance of mixed copper crystal;B) phases which, with respect to the overall structure,B1) are contained in the structure at from 2 to 40% by volume as Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides and boron silicates and/or as boron phosphorus silicates, Ni-Si borides with the molecular formula NixSi2B with x = 4 to 6, as Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-enriched particles, Mg silicides and as Cu-containing and Mg containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing and Mg-containing phases which are present individually or as addition compounds and/or mixed compounds and which are surrounded by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn,B2) are contained in the structure at up to 80% by volume as continuous precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn,B3) are contained in the structure at from 2 to 35% by volume as Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni silicides, Fe silicides and/or Fe-enriched particles, Mg silicides and as Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing phases which are present individually and/or as addition compounds and/or mixed compounds, which are surrounded by precipitations of the system (Cu, Ni)-Sn and which have a size less than 3 µm;- in that the Si-containing and B-containing phases which are in the form of silicon borides, Ni-Si borides, Ni borides, Fe borides, Ni phosphides, Fe phosphides, Mg phosphides, Ni-silicides, Fe silicides and/or Fe-enriched particles, Mg silicides and the Cu-containing and Mg-containing phases and/or Cu-containing and Sn-containing phases and Mg-containing phases which are present individually and/or as precipitation compounds and/or mixed compounds, constitute nuclei for a static and dynamic recrystallisation of the structure during the further processing of the alloy, whereby a uniform and fine-grained structure is produced;- in that the Si-containing and B-containing phases which are in the form of boron silicates and/or boron phosphorus silicates together with the phosphorus silicates and Mg oxides act as a wear-prevention and corrosion-prevention coating on the semi-finished products and components of the alloy.
- Copper/nickel/tin alloy according to claim 1 or 2, characterised in that the element iron is contained at from 0.02 to 0.06%.
- Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the element magnesium is contained at from 0.05 to 0.6%.
- Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the element silicon is contained at from 0.05 to 0.9%.
- Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the element boron is contained at from 0.01 to 0.4%.
- Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 6, characterised in that the element phosphorus is contained at from 0.01 to 0.3%.
- Copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the alloy is free from lead with the exception of any inevitable impurities.
- Method for producing end products and components with a form close to an end product from a copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 using the sand-casting method, shell mould casting method, precision casting method, full-mould casting method, die-casting method or the lost-foam method.
- Method for producing strips, metal sheets, plates, pins, round wires, profiled wires, round rods, profiled rods, hollow rods, pipes and profiles from a copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8, using the chilled mould casting method or the continuous or semi-continuous strand casting method.
- Method according to claim 10, characterised in that the further processing of the cast state involves carrying out at least one hot-forming operation in the temperature range from 600 to 880°C.
- Method according to any one of claims 9 to 11, characterised in that at least one annealing processing operation is carried out in the temperature range from 170 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
- Method according to any one of claims 10 to 12, characterised in that the further processing of the cast state or the hot-formed state or the annealed cast state or the annealed hot-formed state involves carrying out at least one cold-forming operation.
- Method according to claim 13, characterised in that at least one annealing processing operation is carried out in the temperature range from 170 to 880°C with a duration of from 10 minutes to 6 hours.
- Method according to either claim 13 or 14, characterised in that a stress-relieving annealing operation or ageing annealing operation is carried out in the temperature range from 170 to 550°C with a duration of from 0.5 to 8 hours.
- Use of the copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 for gibs or sliding rails, for friction rings or friction discs, for plain bearing surfaces in composite components, for sliding elements or guiding elements in internal combustion engines, valves, turbochargers, gear mechanisms, exhaust gas post-treatment systems, lever systems, braking systems or articulation systems, hydraulic units or in machines or installations of general mechanical engineering.
- Use of the copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 for structural elements, conduction elements, guiding elements or connection elements in electronics or electrical engineering.
- Use of the copper/nickel/tin alloy according to any one of claims 1 to 8 for metal objects in the breeding of organisms which live in seawater, for percussion instruments, for propellers, wings, ship propellers or hubs for ship construction, for housings of water pumps, oil pumps or fuel pumps, for guide wheels, impellers or paddle wheels for pumps or water turbines, for gears, worm gears, helical gears and for pressure nuts or spindle nuts and for pipes, seals or connection bolts in the maritime or chemical industry.
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Family Cites Families (22)
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|---|---|---|---|---|
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| CA980223A (en) | 1972-10-10 | 1975-12-23 | John T. Plewes | Method for treating copper-nickel-tin alloy compositions and products produced therefrom |
| ZA744645B (en) | 1973-08-27 | 1976-02-25 | Ppg Industries Inc | Electroconductive, corrosion resistant high silicon alloy |
| KR950004935B1 (en) | 1986-09-30 | 1995-05-16 | 후루까와 덴끼 고교 가부시끼가이샤 | Copper alloy for electronic instruments |
| JPH08942B2 (en) | 1986-12-19 | 1996-01-10 | トヨタ自動車株式会社 | Dispersion strengthened Cu-based alloy |
| JPH0637680B2 (en) | 1987-06-15 | 1994-05-18 | 三菱電機株式会社 | Cu-Ni-Sn alloy with excellent fatigue characteristics |
| US5004581A (en) | 1989-07-31 | 1991-04-02 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Dispersion strengthened copper-base alloy for overlay |
| JPH03115538A (en) | 1989-09-29 | 1991-05-16 | Tsuneaki Mikawa | Oxide dispersion strengthened special copper alloy |
| GB9008957D0 (en) | 1990-04-20 | 1990-06-20 | Shell Int Research | Copper alloy and process for its preparation |
| JPH049253A (en) | 1990-04-26 | 1992-01-14 | Mitsubishi Electric Corp | Copper alloy manufacturing method |
| DE4126079C2 (en) | 1991-08-07 | 1995-10-12 | Wieland Werke Ag | Belt casting process for precipitation-forming and / or tension-sensitive and / or segregation-prone copper alloys |
| CA2223839C (en) | 1995-06-07 | 2004-11-09 | Castech, Inc. | Unwrought continuous cast copper-nickel-tin spinodal alloy |
| US6716292B2 (en) | 1995-06-07 | 2004-04-06 | Castech, Inc. | Unwrought continuous cast copper-nickel-tin spinodal alloy |
| US6379478B1 (en) | 1998-08-21 | 2002-04-30 | The Miller Company | Copper based alloy featuring precipitation hardening and solid-solution hardening |
| KR100371128B1 (en) | 2000-07-25 | 2003-02-05 | 한국통산주식회사 | Cu-Ni-Sn-Al, Si, Sr, Ti, B alloys for high strength wire or plate |
| DE10208635B4 (en) | 2002-02-28 | 2010-09-16 | Infineon Technologies Ag | Diffusion soldering station, composite of two parts connected via a diffusion soldering station and method for producing the diffusion soldering station |
| JP2009179864A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Kobe Steel Ltd | Copper alloy sheet superior in stress relaxation resistance |
| JP4677505B1 (en) * | 2010-03-31 | 2011-04-27 | Jx日鉱日石金属株式会社 | Cu-Ni-Si-Co-based copper alloy for electronic materials and method for producing the same |
| DE102010055055B3 (en) * | 2010-12-17 | 2012-05-10 | Wieland-Werke Ag | Use of a copper-tin multi-substance bronze |
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