ES2686126T3

ES2686126T3 - Aleación de latón especial y producto de aleación

Info

Publication number: ES2686126T3
Application number: ES17177799.8T
Authority: ES
Inventors: Björn Reetz; Hermann Gummert; Thomas Plett
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2018-10-16
Anticipated expiration: 2035-05-13
Also published as: RU2018125708A3; EP3269835B1; JP6854797B2; CN108359841A; RU2660552C2; RU2016139153A; CN108277380A; US20170145549A1; RU2018129658A3; RU2018125708A; EP3143170B1; CN106460096B; KR20180083964A; US10316398B2; KR20180083450A; EP3143170A2; WO2015173291A3; JP6534687B2; KR20160145039A; EP3269835A1

Abstract

Aleación de latón especial, caracterizada por que contiene 60 - 62% en peso de Cu; 1,6 - 2,0% en peso de Mn; 1,8 - 2,2% en peso de Ni; 0,2 - 0,4% en peso de Al; 0,65 - 0,95% en peso de Si; 0,9 - 1,1% en peso de Fe; <= 0,1% en peso de Sn; <=0,1% en peso de Pb; y resto Zn, junto con impurezas inevitables.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Aleación de latón especial y producto de aleación

La invención se refiere a una aleación de latón especial y a un producto a base de una aleación de latón especial que se somete a una solicitación de rozamiento.

Para aplicaciones de rozamiento típicas en un entorno de agente lubricante se exigen en general bajos valores de rozamiento de la aleación utilizada, en donde adicionalmente el valor de rozamiento debería ser adaptable en límites predeterminados a la respectiva aplicación, en particular al participante en el rozamiento, a la sustancia lubricante utilizada y a las condiciones de rozamiento tales como presión de apriete y velocidad relativa. Esto es particularmente válido para casquillos de émbolo sobre los que actúan elevadas cargas estáticas y dinámicas. Además, aplicaciones con elevadas velocidades relativas de los participantes en el rozamiento tales como, por ejemplo, para cojinetes axiales de un turbocargador, requieren aleaciones que, junto a una generación reducida de calor, también garanticen una buena evacuación de calor de la superficie de rozamiento.

Mediante la potencia de rozamiento y el contacto con aceite resulta sobre la superficie del cojinete una capa tribológica con componentes lubricantes añadidos. En este caso, se exige una tasa de adición uniforme, y al mismo tiempo elevada, de los componentes lubricantes y sus productos de degradación, con el fin de obtener en la capa deslizante una capa de adsorción suficientemente estable.

Además, un material de cojinete adecuado se distingue adicionalmente por una compatibilidad con el aceite de banda ancha, de modo que la constitución de la capa tribológica es ampliamente insensible frente a la elección de determinados aditivos de aceite. Otro objetivo consiste en indicar una aleación para aplicaciones de rozamiento con buenas propiedades de resistencia para la marcha en seco, de modo que se pueda garantizar una vida útil suficiente bajo condiciones de rozamiento en seco.

Para piezas componentes solicitadas por rozamiento es adicionalmente importante que la aleación empleada presente una resistencia mecánica suficiente. De manera correspondiente, debería presentarse un límite de elasticidad al 0,2% con el fin de mantener lo más bajas posibles las deformaciones plásticas que se manifiestan bajo carga. Adicionalmente, se requiere indicar una aleación particularmente dura y resistente a la tracción, con el fin de aumentar su resistencia frente a solicitaciones abrasivas y adhesivas. Al mismo tiempo, se exige una tenacidad suficiente como protección frente a solicitaciones de choque. A este respecto, se requiere reducir el número de los microdefectos y ralentizar el crecimiento del defecto que parte de ellos. Esto va acompañado del requisito de indicar una aleación con una tenacidad a la rotura lo más elevada posible que esté ampliamente exenta de tensiones propias.

Aleaciones adecuadas para piezas componentes solicitadas por rozamiento son diversos latones especiales que, junto a cobre y zinc como componentes principales, presentan una aleación de al menos uno de los elementos níquel, hierro, manganeso, aluminio, silicio, titanio o cromo. En este caso, particularmente los latones de silicio cumplen los requisitos precedentemente mencionados, representando CuZn31Si1 una aleación estándar para aplicaciones de rozamiento, por ejemplo para casquillos de émbolo. Además, es conocido emplear bronces de estaño que, junto a estaño y cobre, presentan adicionalmente níquel, zinc, hierro y manganeso, para aplicaciones de rozamiento o también para la minería.

Como ejemplo de una aleación de cobre-zinc que se adecua para piezas de máquina solicitadas a deslizamiento tales como cojinetes, ruedas helicoidales, ruedas dentadas, patines guía y similares, se remite al documento CH 223 580 A. Se da a conocer un contenido en cobre de 50 - 70% en peso con una aleación de 2 - 8% en peso de aluminio, 0,05 - 3% de silicio y 0,5 - 10% en peso de manganeso, así como el resto zinc. Adicionalmente, la aleación puede presentar como máximo 10% en peso de plomo, así como 0,1 - 5% en peso de uno o varios elementos del grupo hierro, níquel y cobalto. Además de ello, del documento EP 0 407 596 B1 se conoce una aleación de latón especial que, junto a cobre, zinc, manganeso, aluminio y silicio, presenta, como componentes opcionales de la aleación, hierro, níquel y cobalto. Adicionalmente, se prevé una porción de 0,03 - 1% en peso de oxígeno. Además de ello, el documento DE 15 58 467 A da a conocer otra aleación de latón especial que está prevista para objetos solicitados a deslizamiento y rozamiento. Junto al cobre y una porción de zinc, que puede llegar hasta el 45% en peso, está presente una aleación de manganeso y silicio, así como teluro. Adicionalmente, Fe, Ni, Al y Be representan otros componentes opcionales de la aleación. Además, los documentos DE 15 58 817 B2 y DE 101 59 949 C1 describen aleaciones de cobre con una composición de banda ancha que forman un material de cojinete reducido en desgaste.

Con el fin de alcanzar determinadas propiedades de un producto fabricado a partir de una aleación de latón especial, se emplean aleaciones con diferentes elementos de la aleación. Para componentes de este tipo es, por consiguiente, necesario proveerse de productos correspondientemente distintos y, ante todo, dominar también la manipulación con estas aleaciones más diversas.

El documento US 2009/0022620 A1 da a conocer aleaciones de Cu, a partir de las cuales se fabrican tubos o barras

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

para motores o máquinas que tienen buenas propiedades de desgaste y, por consiguiente, están concebidos para una carga por rozamiento variable en el tiempo. La aleación de latón previamente conocida del estado de la técnica comprende 28 -36% de Cn, 0,5 -2,3% de Si, 1,5 -2,5% de Mn, 0,2 -3,0% de Ni, 0,5 -1,5% de Al, 0,1 - 1,0% de Fe, resto cobre, así como impurezas inevitables mezcladas con siliciuros de hierro-níquel-manganeso en la matriz. Las aleaciones indicadas concretamente en los ejemplos de realización disponen de más de 0,40% o bien 0,55% de Ni. Conforme a otro tipo, se describe un contenido en Si de 1,7%.

Weber et al.: “Neuer Pb-freier Kupferwerkstoff für Gleitlageranwendungen in Verbrennungsmotoren und Getrieben”, Metail: Fachzeitschrift für Metallurgie; Technik, Wissenschaft, Wirtschaft, GDMB, tomo 63, N° 11, páginas 564-567 (1 de noviembre de 2009) da a conocer un cojinete deslizante a base de una aleación de latón especial con la siguiente composición: 58% de Cu, 0,5% de Pb, 1% de Si, 2% de Mn, 0,5% de Ni, 0,5% de Fe, 2% de Al, resto Zn.

Partiendo de los dos documentos del estado de la técnica mencionados en último lugar, la invención tiene por misión proporcionar una aleación alternativa a estas aleaciones previamente conocidas, a partir de la cual se puedan fabricar productos que se distingan por una elevada resistencia mecánica, un desgaste mejorado bajo solicitación de rozamiento, así como buenas propiedades de resistencia para la marcha en seco en el caso de una lubricación deficiente.

El problema precedente se resuelve mediante una aleación de latón especial con las características de la reivindicación 1.

Esta aleación dispone de un contenido en Zn relativamente elevado. Esto es significativo, dado que el contenido en Cu se elige estrecho con 60 a 62% en peso. Con el fin de proporciones aleaciones con las distintas propiedades en cada caso deseadas, la proporción del equivalente de Cu se elige relativamente grande, típicamente entre 45 y 65% en peso. Por consiguiente, tiene lugar un ajuste de la aleación respectiva y, con ello, de las propiedades del producto producido a partir de la misma a través de una variación de los elementos que participan en el equivalente de Cu. A este respecto, son ante todo importantes los elementos Mn, Ni, Al y Si. Mediante una variación de la participación de estos elementos en la aleación de latón especial se puede ajustar, por ejemplo, la proporción de las fases a y p en la matriz. Así, se pueden configurar aleaciones mediante una correspondiente variación en estos elementos, cuyos productos presentan predominantemente una fase a, predominantemente una fase p o una mezcla a base de estas dos fases. Asimismo, sin tener que modificar el proceso de tratamiento se puede ajustar un producto de aleación de latón especial con diferente tamaño de grano mediante correspondientes variaciones, ante todo de estos elementos.

Junto a las fases duras, la dureza y la tenacidad de la aleación influyen esencialmente sobre la propiedad de la capa de rozamiento. Con ello, la aleación de acuerdo con la invención se distingue por un intervalo sorprendentemente amplio de parámetros mecánicos alcanzables, de modo que el límite de elasticidad, la resistencia a la tracción, el alargamiento de rotura, la dureza y la tenacidad, comparados con las aleaciones empleadas hasta ahora para aplicaciones de rozamiento, se pueden ajustar independientemente entre sí en medida mejorada mediante la elección de los procesos de tratamiento después de la colada de la aleación. Un producto de aleación elegido exactamente para los requisitos de la aplicación puede alcanzarse mediante los siguientes procesos de tratamiento después de la fundición de los componentes de acuerdo con la invención:

- conformación en caliente directamente después de la colada de la aleación, en particular colada continua, sin una etapa de tratamiento adicional o seguida exclusivamente por una etapa de calcinación subsiguiente,

- prensado por extrusión con una conformación en frío dispuesta directamente a continuación, seguida de una etapa de calcinación subsiguiente,

- prensado por extrusión con subsiguiente calcinación intermedia antes de realizar una conformación en frío y una etapa de calcinación subsiguiente.

Esta aleación de latón especial se distingue por un alargamiento de rotura particularmente elevado con una resistencia mecánica todavía suficiente. Además, se presenta una resistencia al desgaste particularmente elevada, la cual se atribuye a la estructura monocelular de la matriz de latón. Adicionalmente, se ha comprobado que también se puede alcanzar una elevada tenacidad en combinación con las propiedades mecánicas ventajosas precedentemente mencionadas. Esta propiedad está justificada porque la matriz se compone predominantemente de la fase a. Las fases p presentes forman pequeñas islas. Los siliciuros redondeados son relativamente insensibles contra acciones de entalladura.

Fig. 1: una fotografía al microscopio óptico del estado de prensado por extrusión de la aleación de latón

especial de acuerdo con la invención en muestra metalográfica transversal con un aumento de 100

x,

Fig. 2: el estado de prensado por extrusión del latón especial de acuerdo con la invención de la Figura 1

como fotografía al microscopio óptico con un aumento de 500 x,

5

10

15

20

25

30

35

Fig. 3: una fotografía al microscopio óptico de la aleación especial de acuerdo con la invención tras un

recocido blando a 450°C en una muestra metalográfica transversal con un aumento de 50 x,

Fig. 4: una fotografía al microscopio óptico del estado de recocido blando del latón especial de acuerdo

con la invención de la Figura 3 en una muestra metalográfica transversal con un aumento de 500 x,

Fig. 5: una fotografía al microscopio electrónico de barrido con contraste de electrones secundario del

estado final de la aleación del latón especial de acuerdo con la invención en un aumento de 3000 x y

Fig. 6: una fotografía al microscopio electrónico de barrido con contraste de electrones secundario del

estado final de la aleación del latón especial de acuerdo con la invención en un aumento de 6500 x.

Para la aleación de latón especial de acuerdo con la invención se forman en estado de fundición fases intermetálicas que en el estado de prensado por extrusión se determinaron como fases duras redondeadas, presentes en el interior del grano de una fase a. En el estado de prensado por extrusión se encontró una fase a predominante, presentándose en los límites de los granos de la fase a porciones de fase p adicionales. Para muestras metalográficas longitudinales no representadas en particular resulta para la matriz de latón una clara orientación en la dirección del prensado por extrusión, mientras que las fases intermetálicas están orientadas solo débilmente. Concretamente, esta aleación de latón especial de esta muestra examinada presenta la siguiente composición (datos en % en peso):

Cu: Zn Pb Sn Fe Mn Ni Al Si As Sb P Cr

61,0: Resto 0,02 0,05 0,5 1,8 2,0 0,3 0,8 - - - -

El producto prensado por extrusión de esta aleación de latón especial es tratado en una posterior etapa del proceso mediante un recocido blando, ilustrándose el estado de recocido blando por fotografías al microscopio óptico de muestras metalográficas transversales mostradas en la Figura 3 y la Figura 4. Para una temperatura de recocido blando de 450°C resulta una fase a dominante, con porciones de fase p a modo de isla. Para una temperatura de recocido blando aumentada en el intervalo de 550°C le sigue una fase a unitaria, disminuyendo las porciones de fase p a modo de isla frente a la temperatura de recocido blando más baja.

Al recocido blando le sigue una conformación en frío, eligiéndose el grado de conformación típicamente en el intervalo de 5 - 15% de reducción de la sección transversal. Finalmente, se lleva a cabo un recocido final, no presentando la estructura de la aleación diferencia esencial alguna con respecto al estado recocido blando.

Para el estado final de la aleación, las fases intermetálicas presentan en el interior de los granos de la matriz base estructuras monofásicas con una longitud media de < 7 pm, detectándose una estructura policristalina. A partir de mediciones EDX se pudo determinar la composición química de las fases intermetálicas que, junto a siliciuros mixtos (de Fe, Mn, Ni), se presentan en particular siliciuros de hierro de la forma Fe3Ni3Si2 y Fe3Si. En los límites de los granos y en la fase p se manifiestan adicionalmente secreciones de fases duras con un tamaño medio de < 0,2 pm.

En relación con las propiedades mecánicas, esta aleación de latón especial presenta en estado de prensado por extrusión un límite de elasticidad al 0,2% de 180 - 250 MPa, una resistencia a la tracción Rm de 430 - 470 MPa y un alargamiento de rotura de 22 - 42%. En estado final del tratamiento, se presenta un límite de elasticidad al 0,2% de 350 - 530 MPa, una resistencia a la tracción Rm de 400 - 650 MPa y un alargamiento de rotura de 3 - 19%.

Claims

10

15

REIVINDICACIONES

1. Aleación de latón especial, caracterizada por que contiene

60 - 62% en peso de Cu;

1,6 - 2,0% en peso de Mn;

1,8 - 2,2% en peso de Ni;

0,2 - 0,4% en peso de Al;

0,65 - 0,95% en peso de Si;

0,9 - 1,1% en peso de Fe;

< 0,1% en peso de Sn;

< 0,1% en peso de Pb;

y resto Zn, junto con impurezas inevitables.
2. Aleación de latón especial con una composición de la aleación según la reivindicación 1, caracterizada por que el producto de la aleación de latón especial se ajusta mediante conformación en caliente, calcinación y estiramiento en frío de tal manera que el límite de elasticidad al 0,2% se encuentra en el intervalo de 350 - 590 MPa, la resistencia a la tracción Rm se encuentra en el intervalo de 400 - 650 MPa y el alargamiento de rotura A5 se encuentra en el intervalo de 3 - 19%.
3. Aleación de latón especial según la reivindicación 2, caracterizada por que el producto de la aleación de latón especial es una pieza componente expuesta a una carga por rozamiento variable en el tiempo, en particular, un casquillo de cojinete, un patín guía, una rueda helicoidal o un cojinete axial para un turbocargador.