DD250952A1 - Mangan-aluminium-mehrstoffbronze und verfahren zur erzeugung hochverschleissfester gussteile aus dieser legierung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze fuer hochverschleissfeste Werkzeuge und Konstruktionsteile der Umform-, Spritz- und Lagertechnik, insbesondere fuer Pressformen und Duesen der metall- und plastverarbeitenden Industrie, Kokillen, Kolben, Lager, Lagerschalen, -steine, -schrauben, -kaefige, Gleit- und Kugellager, Schnecken- und Zahnraeder, allgemeine Werkzeuge, wie z. B. Schraubenschluessel. Das Ziel der Erfindung ist es, eine Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze fuer den genannten Verwendungszweck zu entwickeln, um das giftige Sparstoffelement Beryllium sowie die teuren Elemente Zr, Co, Cr, Ti einzusparen, den Cu-Anteil wesentlich zu reduzieren und einen Ausscheidungseffekt zu erzielen. Gleichzeitig ist eine Qualitaetserhoehung der Legierung anzustreben. Diese soll die Zaehigkeit, das Verschleissverhalten, die Giessbarkeit und die Bearbeitbarkeit verbessern. Die gefundene Legierung, die diese Bedingungen erfuellt hat die chemische Zusammensetzung von Mn 10,0 bis 14,0%, Zn 4,6 bis 9,0%, Fe 0,65 bis 6,0%, Ni 0,5 bis 3,0%, Al 6,5 bis 9,0%, C 0,04 bis 0,3% und Rest Cu. Die Legierungselemente Mn, Zn, Al, Ni und Fe werden in einem ganz bestimmten Verhaeltnis zueinander gattiert und einer definierten Waermebehandlung unterzogen, mit der ein definiertes Gefuege bei gleichzeitiger weiterer Erhoehung der mechanischen Eigenschaften und der Verschleissfestigkeit gegenueber dem Gusszustand erzielt wird. Die mit dieser Legierung erreichten mechanischen Eigenschaften betragen Bruchfestigkeit 800 bis 950 MPa, Haerte 230 bis 320 HB, Bruchdehnung 2,0%, Waermeleitfaehigkeit 0,2 cal/grd sec m. Die vorgeschlagene Legierung ist fuer die o. g. Verwendungszwecke ohne Einschraenkung benutzbar.
Description
wobei die Legierung nachfolgende Mengenverhältnisse besitzen soll:
Al: Mn = 1,0:1,2 bis 1,8
AI:Zn = 1,0:0,6bis 1,3
Zn:Mn = 1,0:1,3
Ni:Fe = 1,0:1,3
Al + Mn +Zn = 24,0% bis 28,0%
Fe+ Mn = 12,0%
2. Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dreiphasiges Gefüge, bestehend aus mindestens 80% Beta-Phase, mindestens 5% Kappa-Phase (Korndurchmesser < 10/Am) und mindestens 10% Alpha-Phase, wobei Alpha- und Beta-Phase fein verteilt im Gefüge vorliegen und die Beta-Korngrenzen mit bandartigen Alpha-Ausscheidungen (Breite 2-10/zm) besetzt sind.
3. Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze gemäß Anspruch 1 und 2 mit erhöhten mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung mit den definierten Fe-Gehalten gemäß der in Anspruch 1 genannten Mengenverhältnisse einer Wärmebehandlung, d.h. angelassen oder geglüht und angelassen wird.
4. Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze gemäß Anspruch 1 bis 3 mit erhöhter Verschleißfestigkeit, insbesondere mit einer Bruchfestigkeit von 820-930MPa, einer Härte von 240-290HB bei einer Bruchdehnung von 6,2-2,2%, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung nach dem Abguß zwischen 3600C und 45O0C über eine Zeit von 1,0-10,0 Stunden — in Abhängigkeit der Wanddicke, allgemein 1 Stunde je 20mm Wanddicke, mindestens jedoch 1 Stunde angelassen wird.
5. Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze gemäß Anspruch 1 bis 3 und in Erweiterung des Merkmales gemäß Anspruch 4 zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften und Verschleißfestigkeit, insbesondere mit einer Bruchfestigkeit bis 955MPa, einer Härte bis 310HB bei einer Bruchdehnung bis 8,2%, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung nach dem Abguß zwischen 78O0C und 85O0C über 1,0-10,0 Stunden — in Abhängigkeit der Wanddicke, allgemein 1 Stunde je 20 mm Wanddicke, mindestens jedoch 1 Stunde, geglüht und anschließend einer schnellen Abkühlung (Luft) unterzogen und danach analog der Merkmale gemäß Anspruch 4 angelassen wird.
Die Erfindung betrifft eine Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze sowie ein Verfahren zur Veredlung des Gußzustandes dieser Legierung zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften der gegossenen Teile mittels Wärmebehandlung zur Anwendung für hochverschleißbeanspruchte Werkzeuge und Konstruktionsteile der Umform-, Spritz- und Lagertechnik, insbesondere für Preßformen und Düsen der metall- und plastverarbeitenden Industrie, Kokillen, Kolben, Lager, Lagerschalen, -steine, -schrauben, -käfige, Gleit- und Kugellager, Schnecken- und Zahnräder, allgemeine Werkzeuge, z. B. Schraubenschlüssel.
Für das gesamte Anwendungsgebiet haben sich seit Jahren Legierungen aus Kupfer und Beryllium bewährt. Vielfach werden die Teile aus Halbzeugen gefertigt (K.Eichhorn, Niedriglegierte Kupferlegierungen, Deutsches Kupferinstitut 1966, S. 108-142, 282-292) oder auch im Gießverfahren hergestellt (E. Brunhuber, Schmelz- und Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen, Fachbuchverlag Schiele & Schön GmbH/Berlin 1968, S. 217-221). Kupfer-Beryllium-Legierungen zeichnen sich durch einen ausgeprägten Aushärtungseffekt aus, auf dessen Basis es möglich ist, die mechanischen Eigenschaften in weiten Grenzen zu variieren und insbesondere eine hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen. Zur Gewährleistung hoher Härte und Verschleißfestigkeit werden Knetlegierungen nach hohem Grad der Verformung (Kaltverfestigung) lösungsgeglüht und ausscheidungsgehärtet.
Bei Gußlegierungen werden hoheFestigkeiten durch erhöhte Berylliumgehalte und Zugabe weiterer Legierungselemente erzielt. Nach dem Gießen sind diese Legierungen auf Grund ihrer Härte nicht mehr formbar.
Zunehmend finden zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit Legierungselemente wie Co (bis 2,7%) und/oder Ni Anwendung in Cu-Be-Legierungen.
Besonders in der amerikanischen (DE-OS 2129101,2129102) und japanischen Wirtschaft (DE-OS 1903711,1903712) wurden erstmalig Legierungen auf der Basis CuAI für hohe Verschleißbeanspruchungen vorgeschlagen. Diesen Legierungen wurden ebenfalls Be, Co zulegiert und/oder zur weiteren Verbesserung Si, Sn, Zr, Ce, Mn, Fe, Ni, Ti beigegeben. In den genannten Offenlegungsschriften wird auf die Bedeutung derGefügeausbildung eingegangen.Teilweise werden die hohen mechanischen Eigenschaften von etwa 1000MPa Bruchfestigkeit und 400Hb Härte allerdings nur erreicht, wenn das Material kalt oder warm verformt wurde. Dabei sankjedoch die Dehnung zum Teil bis 0% ab. Auf Grund dieser Bedingungen kann dieses Material überwiegend nur für einfach gestaltete Teile eingesetzt werden.
Eine hochverschleißfeste Legierung (DD-WP 155701) mit einer Bruchfestigkeit bis 850 MPa wurde in der DDR für Umformwerkzeuge entwickelt. Sie hat bereits erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen Legierungen. Sie ist aber für Spezialanwendungsfälle (z. B. Düsenlagerkäfige) noch nicht verschleißfest genug. Eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit durch Wärmebehandlung ist bei den hochfesten Gußlegierungen ungebräuchlich, da keine nennenswerte Festigkeits- und Härtesteigerung erreicht wird. Wärmebehandlungen werden in erster Linie an kalt- oder warmverfestigten Teilen im Sinne eines Weichglühens oder als Vergüten bei mittelfesten Legierungen (bis ca. 700MPa) vorgenommen.
Die bisher verwendeten Werkstoffe und Verfahren haben eine Reihe von Nachteilen:
— hoher Cu-Anteil,
— hoherAnteil der Spezialelemente Be, Co, Ce, Cr, Ti, Zr, Sn, Ni, Si, '
— Verwendung des giftigen Elementes Be,
— sehr hohe Härte, *
— schwere Bearbeitbarkeit nach der Wärmebehandlung,
— Verzug der fertigbearbeiteten Teile durch Wärmebehandlung,
— geringe Zähigkeit und damit anfällig gegen dynamische und Stoßbelastungen,
— zu geringe Verschleißfestigkeit der Legierung auf der Basis CuAI,
— hoher Arbeitsaufwand (insbesondere Zerspanungsarbeit) beim Einsatz von Halbzeugen,
— Die Werkstoffe sind fast ausschließlich nur im wärmebehandelten Zustand einsetzbar.
— schwierige Beherrschung der Behandlungsverfahren (Wärmebehandlung, Umformungen) zur Erzeugung der gewünschten Eigenschaften, ,
— durch hohe Temperaturen energieaufwendige Wärmebehandlungsverfahren erforderlich,
— teure Materialzusammensetzung und Herstellung.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Mangel und Nachteile der bekannten Legierungen und Verfahren durch den Einsatz eines geeigneten Werkstoffes und Herstellungsverfahrens auszuschalten, d. h., vor allem den Einsatz des sehr giftigen und teuren Berylliums und der teuren Speziallegierungselemente wie Co, Ce, Cr, Ti u.a. gleichwertiger Elemente zu vermeiden und darüber hinaus den hohen Cu-Anteil von über 90% abzusenken.
Überwiegend soll der Werkstoff bereits im Gußzustand gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Verschleißfestigkeit erhalten. Eine weitere.gezielte Verbesserung der Eigenschaften soll mit relativ wenig Aufwand an Energie und Kosten mit hoher Sicherheit und unkompliziert erfolgen können, was durch eine gute Anlaßfähigkeit der Legierung zu gewährleisten ist. Der Werkstoff soll weiterhin prinzipiell in gegossenem Zustand einsetzbar sein und nur für spezielle Anwendungsfälle wärmebehandelt werden, und zwar, wenn die Festigkeit über 920 MPa und eine Härte > 290 HB betragen soll.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung und ein Veredlungsverfahren des Gußzustandes dieser Legierung für hochverschleißfeste Werkzeuge und Konstruktionsteile der Spritz- und Lagertechnik auf der Basis einer Mn-Al-Mehrstoffbronze zu entwickeln, die eine Mindestbruchfestigkeit von 800MPa, eine Mindestdehnung von 2,0% und eine Härte von mindestens 200HB aufweist. Dabei sollen folgende Nachteile ausgeschlossen werden:
— die Verwendung des giftigen und teuren Be,,
— großen Cu-Anteil in der Zusammensetzung (über 90%),
— Einsatz der teuren Speziallegierungselemente Co, Ce, Cr, Ti, Zr, Sn, Ni,
— geringe Zähigkeit (unter 2,0%) und damit die Stoßempfindlichkeit,
— hoher Zerspanungsaufwand durch Herausarbeiten der Formteile aus Halbzeugen und durch Bearbeitung bei sehr hohen Härten nach der Wärmebehandlung,
— Kalt-oder Warmumformungen,
— komplizierte und teure Gieß- und Veredlungsverfahren
Insbesondere soll damit erreicht werden:
— gute Verärbeitungseigenschaften,
— Ausschließen des Einsatzes von giftigen und teuren Elementen,
— hohe Verschleißfestigkeit,
— große Standzeiten der Teile.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierung eine Zusammensetzung von
10,0 bis 14,0% Mn 4,6 bis 9,0% Zn 0,65 bis 6,0% Fe 0,50 bis 3,0% Ni 6,5 bis 9,0% Al 0,04 bis 0,3% C — Rest % Cu
aufweist und daß bei dieser Legierung in besonderem Maße die Legierungselemente ein solches Mengenverhältnis zueinander haben, was die Voraussetzung für eine definierte Gefügeausbildung ist. Insbesondere sollen die Hauptlegierungselemente Al, Mn und Zn in der Summe 24,0 bis 28,0% betragen und die Mengenverhältnisse sollen sein:
| AhMn | 1,0:1,2-1,8 |
| AhZn | 1,0:0,6-1,3 |
| Zn:Mn = | 1,0:1,3 |
| Al + Mn + Zn = | 24,0-28,0 % |
| NhFe | 1,0:1,3 |
| Fe+ Mn = | 12,0% |
Diese chemische Zusammensetzung unter Einhaltung der Mengenverhältnisse der Elemente zueinander ergibt eine Legierung mit folgenden mechanischen Grundeigenschaften:
Bruchfestigkeit Rm = 800-950MPa Bruchdehnung A5 = 6,0-2,2% Härte HB = 230-300
Gußlegierungen der erfindungsgemäßen chemischen Zusammensetzung weisen bereits eine gute Verschleißfestigkeit auf. Weitere Verbesserungen werden erreicht durch Anlassen des Gußzustandes bei 36O0C bis 4500C oder Lösungsglühen bei 7800C bis 85O0C, Luftabkühlung und nachfolgender Ausscheidungshärtung bei ebenfalls 3600C bis450°C. Die notwendige Glühdauer ist in erster Linie von der Wanddicke abhängig und sollte 1 Stunde je 20 mm Wanddicke, jedoch immer mindestens 1 Stunde betragen.
Im Ergebnis dieser verfahrensgemäßen Behandlung der Legierung steigt die Bruchdehnung an und die Bruchfestigkeit erreicht Werte bis 950MPa sowie eine Härte von ca. 320HB.
Die Ursache dieses positiven Verhaltens der Legierung liegt im erreichten genauen definierten Gefüge begründet. Im Grundgefüge, der Matrix aus Beta-Primärkörnern befinden sich feine nadlige Gefügebestandteile der Alpha-Phase und Modifikationen der eisen-mangan-reichen Kappa-Phase geringer Korngröße. Die Anwesenheit der Kappa-Teilchen bewirkt die Herausbildung einer insgesamt feinkörnigen Gefügestruktur, wodurch die Festigkeit der Legierung steigt. Infolge der Anlaßbehandlung koalieren die feinen Alpha-Teilchen zu größeren Körnern bei Ausscheidung weiterer Alpha-Phase im Innern und den Grenzen der Beta-Primärkörner, so daß sich hier eine bandartige Korngrenzenbelegung mit zäher Alpha-Phase herausbildet. Damit erhöht sich die Korngrenzenduktilität, es verbessern sich die Zähigkeitseigenschaften der Legierung. Während des Anlassens bilden sich feindisperse Fe-Ausscheidungen, die die Aushärtungseffekte der Legierung hervorrufen. Durch den Glühvorgang wird ein vollständiger Ablauf der Gefügeumwandlungsvorgänge erreicht. Durch die Wärmebehandlung wird der Anteil der Alpha-Phase über 10% erhöht, während der Anteil der harten Beta-Phase unter 85% sinkt. Insgesamt steigt durch die Glühung mit anschließender Anlaßbehandlung die Härte und Bruchfestigkeit an. Infolge der günstigen Alpha-Verteilung erhöht sich außerdem die Dehnung, wodurch im Komplex der verbesserten mechanischen Eigenschaften das Verschleißverhalten verbessert wird.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an mehreren Ausführungsvarianten verdeutlicht werden.
Legierungselement in Ma.-%
| Il | Varianten | IV | V | |
| I | 11,87 | III | 12,10 | 10,15 |
| 12,00 | 8,60 | 14,10 | 6,60 | 5,07 |
| 8,05 | 2,61 | 5,50 - | 4,01 | 0,65 |
| 2,62 | 1,72 | 5,85 | 1,93 | 0,50 |
| 1,85 | 7,25 | 2,73 | 7,10 | 8,45 |
| 7,44 | 0,17 | 7,85 | 0,11 | 0,04 |
| 0,29 | 0,08 | |||
| Rest | ||||
Var. I bis III vorzugsweise für Düsen und Werkzeuge Var. IVund VvorzugsweisefürLager
Daraus resultieren folgende mechanische Eigenschaften im Gußzustand:
| Mechanische Eigen schaften | I Il | Varianten III | IV | V |
| Bruchfestigkeit Rm/MPa/ Bruchdehnung A5/%/ Härte-HB | 937 919 2,5 3,3 296 291 | 923 2,2 277 | 825 6,2 242 | 880 2,2 247 |
| Mechanische Eigenschaften | Die Var. Il und IV wurdenzusätzlich wärmebehandelt und ergaben folgende Werte: Varianten 1 h bei 7800C geglüht, Luftabkühlung u. 1,5 h bei 4100C angelassen | Variante IV 2 h bei 360 0C angelassen | ||
| Bruchfestigkeit Rm/MPa/ Bruchdehnung A5/%/ Härte-HB | 955 5,80 317 | 860 8,20 274 | ||
Claims (1)
1. Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für hochverschleißbeanspruchte Werkzeuge und Konstruktionsteile der Uniform-, Spritz- und Lagertechnik, insbesondere für Preßformen und Düsen der metall- und plastverarbeitenden Industrie, Kokillen, Kolben, Lager, Lagerschalen, -steine, -schrauben und -käfige, Gleit- und Kugellager, Schnecken- und Zahnräder, allgemeine Werkzeuge, z. B. Schraubenschlüssel, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung eine chemische Zusammensetzung besitzt von
10,0bis14',0%Mn v
4,6 bis 9,0% Zn
0,65 bis 6,0% Fe
0,50 bis 3,0% Ni
6,5 bis 9,0% Al
0,04 bis 0,3% C
Rest % Cu
Rest % Cu
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