Bronce multimaterial de cobre-estaño con contenido en fases duras, procedimiento de producción y uso.

Bronce multimaterial de cobre-estaño, compuesto de (en % en peso):

de 0,5 a 14,0% de Sn,

de 0,01 a 7,0% de Zn,

de 0,05 a 2,0% de Al,

de 0,01 a 2,0% de Si,

de 0,1 a 2,0% de Fe,

opcionalmente también de 0,2 a 4,0% de Mn,

opcionalmente también hasta un máximo de 0,08% de P y

opcionalmente también hasta un máximo de 0,08% de S

,el resto cobre e impurezas inevitables, siendo en la aleación el contenido de estaño mayor que el de zinc.

Bronce multimaterial de cobre-estaño con contenido en fases duras, procedimiento de producción y uso La invención se refiere a una aleación de cobre a base de un bronce multimaterial de cobre-estaño, un procedimiento de producción y el uso.

Debido a las muy crecientes exigencias mecánicas, térmicas y corrosivas sobre los componentes sometidos a desgaste en construcciones, máquinas, motores y equipos modernos, son mayores los requisitos sobre las propiedades de las aleaciones adecuadas para el uso.

Por esta razón, existe el objetivo de continuar desarrollando las propiedades de funcionamiento de los materiales resistentes al desgaste. Esto incluye, por un lado, aumentar la dureza, las propiedades de resistencia, la resistencia de la estructura a la temperatura y la resistencia compleja al desgaste, presentando al mismo tiempo propiedades de tenacidad suficiente. Por otro lado, aparece la necesidad de una elevada resistencia de la aleación frente a medios con acción corrosiva. Además, el material resistente al desgaste debe poseer propiedades de deslizamiento de emergencia suficientemente satisfactorias, que impidan que los elementos implicados en la situación conflictiva se suelden. Hasta ahora, se han utilizado para este fin, en especial, aleaciones de cobre que contenían plomo.

Ya se conocen bronces multimaterial a base de cobre y estaño con otros componentes que determinan propiedades. A partir del documento US 6, 699, 337 B2 son conocidas aleaciones de cobre que, además de cobre, pueden contener como otros elementos Sn, Ni, P, Zn, Si, Fe, Co, Mg, Ti, Cr, Zr y Al. La suma de todos los elementos no debe superar, como máximo, 30% en peso. Los otros componentes de aleación son indicados de forma general, sin explicar con más detalle la influencia respectiva de estos componentes de aleación. El posible grado de reducción por laminado en un conformado en frío debe derivarse de la respectiva proporción del elemento, estando relacionados entre sí el contenido de estaño y la proporción de los restantes elementos por una relación matemática.

Otras aleaciones de cobre-estaño son conocidas a partir del documento DE 10 2006 027 844 A1 del solicitante, con contenidos de estaño por encima de 9% en peso, en las cuales siliciuros de cromo o de níquel originan una mejor resistencia frente al desgaste adhesivo. En particular, la aleación está prevista para uso en elementos de cojinete de deslizamiento o para superficies de cojinete de deslizamiento en componentes de material compuesto.

También es conocido, a partir del documento DE 41 26 079 A1, un método por colada con el cual se pueden producir una amplia gama de aleaciones de cobre. Entre otras cosas, con este método también se pueden colar aleaciones de cobre-estaño con 1-11% de estaño, hasta 6% de zinc y los otros elementos hierro, manganeso, níquel, cromo, titanio, magnesio y circonio en menor proporción. En el procedimiento de producción, se ajusta in situ un determinado estado de estructura que permite el inmediato tratamiento ulterior por laminado en frío.

Son conocidas además, a partir de los documentos US 2, 128, 955 y US 2, 128, 954, aleaciones de cobre-estaño en combinación con los otros elementos Fe, P o en su caso Fe, Mn, P. Se trata aquí de aleaciones que son adecuadas para un conformado en caliente.

En los documentos citados se añade también, en la mayoría de los casos, un cierto contenido de fósforo para mejorar la aptitud para la colada. También está previsto un cierto contenido de Pb para mejorar las características de deslizamiento de emergencia, así como para una mejor aptitud para el mecanizado con arranque de viruta.

Tal como muestra el estado de la técnica, gracias a los amplios intervalos de solidificación de aleaciones de cobre-estaño ya existentes en el caso de la aleación binaria, mediante la adición de otros elementos se originan muy prometedoras combinaciones de propiedades para diferentes ámbitos de aplicación en la técnica.

La invención tiene por objeto proporcionar un bronce multimaterial de cobre-estaño con conformabilidad en frío mejorada, elevada resistencia, dureza, ductilidad, resistencia a la temperatura y a la corrosión, así como con una resistencia mejorada frente a los mecanismos de desgaste abrasión, adhesión, reacción triboquímica y desintegración superficial.

La invención se describe en lo referente a un bronce multimaterial de cobre-estaño a través de las características de la reivindicación 1, en lo referente a un procedimiento de producción a través las características de la reivindicación 9, y en lo referente a un uso a través de las características de las reivindicaciones 15 a 17. Las demás reivindicaciones subordinadas se refieren a realizaciones y desarrollos ventajosos de la invención.

La invención comprende un bronce multimaterial de cobre-estaño, compuesto de (en % en peso) :

de 0, 5 a 14, 0% de Sn,

de 0, 01 a 7, 0% de Zn,

de 0, 05 a 2, 0% de Al,

de 0, 01 a 2, 0% de Si,

de 0, 1 a 2, 0% de Fe,

opcionalmente también de 0, 2 a 4, 0% de Mn,

opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de P y

opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de S,

el resto cobre e impurezas inevitables, siendo en la aleación el contenido de estaño mayor que el de zinc.

La invención parte en este caso de la consideración de poner a disposición un bronce multimaterial de cobre-estaño que tiene incluidos monosiliciuros o siliciuros mixtos que contienen Fe y que contienen Al, partículas de Fe, y eventualmente fases del sistema Fe-Al, que puede ser producido por medio del procedimiento de colada en coquilla o bien con ayuda del procedimiento de colada por extrusión continuo o semi-continuo. Debido a la precipitación de monosiliciuros y siliciuros mixtos, de partículas de Fe y eventualmente de fases del sistema Fe/Al, el bronce multimaterial de cobre-estaño presenta un alta proporción de fases duras, lo que contribuye a una mejora de la resistencia del material frente al desgaste abrasivo. Además, la proporción de siliciuros origina, gracias a una baja tendencia a la soldadura, una mejor resistencia frente al desgaste adhesivo. En particular, debe manifestarse que la aleación, salvo eventuales contaminaciones, no tiene ninguna proporción de níquel ni de plomo.

Los diferentes tipos de siliciuros tienen, dependiendo de su forma y tamaño, ya durante el proceso de colada, y en el tratamiento ulterior del estado colado que se origina, una importante función para la formación de estructura. Durante al menos un recocido posterior se facilita o se refuerza o se acelera, gracias a la misma, una recristalización de la estructura. Con esto se puede lograr, mediante una estructura suficientemente de grano fino, la combinación de alta resistencia/dureza y buenas propiedades de tenacidad. El elemento hierro forma en este caso los puntos de nucleación para los siliciuros. Mediante la adición del elemento manganeso se favorece aún más la formación de siliciuro, formándose entonces siliciuros de mayor tamaño que mejoran la aleación en cuanto a dureza y desgaste. Port medio de una adición de manganeso se forman bronces multimaterial que tienen incluidos siliciuros mixtos que contienen Fe-Al-Mn.

El contenido de estaño y de otros elementos con una elevada afinidad hacia el oxígeno establece especiales requisitos para la ejecución práctica de la colada de aleaciones de cobre-estaño. Así, en la práctica, y para garantizar en especial un proceso continuo de colada y además para la desoxidación de la masa fundida, es habitual y está ampliamente extendida la adición de un mayor contenido de fósforo. Sin embargo, el elemento de aleación fósforo incrementa en la aleación de acuerdo con la invención la porción de estructura solidificada dendríticamente, a consecuencia de lo cual se podrían deteriorar las propiedades de tenacidad de las formas coladas. En consecuencia no se añade fósforo a la aleación, o bien se añade sólo en una proporción muy pequeña de, como máximo, 0, 08% en peso.

Por lo tanto, una idea básica de la invención consiste en el establecimiento de una relación equilibrada de elementos formadores de precipitado y por lo tanto promotores de la segregación de Sn tales como, por ejemplo, Mn, Fe, Al, Si, y elementos inhibidores de la segregación de Sn tales como, por ejemplo, Zn, en un material basado en cobre-estaño. Al mismo tiempo, especialmente los elementos de aleación Al y Zn son útiles para garantizar un proceso de colada continuo. El zinc asume adicionalmente la desoxidación forzada de la masa fundida, de manera que el contenido de fósforo se puede al menos reducir o incluso omitir por completo. De esta... [Seguir leyendo]

1. Bronce multimaterial de cobre-estaño, compuesto de (en % en peso) :

de 0, 5 a 14, 0% de Sn, de 0, 01 a 7, 0% de Zn, de 0, 05 a 2, 0% de Al, de 0, 01 a 2, 0% de Si, de 0, 1 a 2, 0% de Fe, opcionalmente también de 0, 2 a 4, 0% de Mn, opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de P y opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de S, el resto cobre e impurezas inevitables, siendo en la aleación el contenido de estaño mayor que el de zinc.

2. Bronce multimaterial de cobre-estaño según la reivindicación 1, caracterizado por:

de 3, 0 a 8, 0% de Sn, de 1, 5 a 5, 5% de Zn, de 0, 05 a 1, 2% de Al, de 0, 01 a 1, 2% de Si, de 0, 1 a 2, 0% de Fe, opcionalmente también de 0, 2 a 3, 0% de Mn, opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de P y opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de S, el resto cobre e impurezas inevitables.

3. Bronce multimaterial de cobre-estaño según la reivindicación 1, caracterizado por:

de 0, 5 a 14, 0% de Sn, de 0, 01 a 7, 0% de Zn, de 0, 2 a 4, 0% de Mn, de 0, 1 a 2, 0% de Fe, de 0, 05 a 2, 0% de Al, de 0, 01 a 2, 0% de Si, opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de P y opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de S, el resto cobre e impurezas inevitables.

4. Bronce multimaterial de cobre-estaño según la reivindicación 3, caracterizado por:

de 4, 0 a 5, 0% de Sn, de 2, 0 a 3, 0% de Zn, de 1, 0 a 2, 5% de Mn, de 0, 3 a 1, 5% de Fe, de 0, 3 a 1, 2% de Al, de 0, 3 a 1, 0% de Si, opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de P y opcionalmente también hasta un máximo de 0, 08% de S, el resto cobre e impurezas inevitables.

5. Bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la aleación está, salvo posibles impurezas inevitables, exenta de níquel y plomo.

6. Bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la matriz de cristales mixtos de cobre-estaño están incluidos siliciuros de Fe, siliciuros de Fe que contienen Al, fases intermetálicas del sistema Fe-Al, partículas de Fe y, eventualmente, siliciuros mixtos de Fe que contienen Mn y siliciuros mixtos de Fe que contienen Mn-Al.

7. Bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la matriz de la estructura en el estado colado se compone, al crecer el contenido de Sn de la aleación, y dependiendo del proceso de colada/enfriamiento, de proporciones cada vez mayores de fase δ (rica en Sn) en la restante fase α (pobre en Sn) de los tipos de cristales mixtos de Cu-Sn que contienen zinc.

8. Bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque después de un tratamiento ulterior que incluya al menos un conformado en caliente o al menos un conformado en frío o al menos un conformado en caliente y un conformado en frío así como, opcionalmente, otros pasos de recocido, la estructura se presenta con un contenido de fase δ de hasta 60% en volumen, de siliciuros, fases Fe-Al y partículas de Fe de hasta 20% en volumen, y un resto de fase α.

9. Procedimiento para fabricar flejes, placas, pernos, alambres, varillas, tubos y perfiles de un bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 8, con ayuda del procedimiento de colada en coquilla o bien del procedimiento de colada por extrusión continuo o semicontinuo.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el tratamiento ulterior del estado colado 5 comprende la realización de al menos un conformado en caliente en el intervalo de temperatura de 600 a 880°C.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque se realiza al menos un tratamiento de recocido en un intervalo de temperatura de 200 a 880°C.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el tratamiento ulterior del estado

colado o del estado conformado en caliente o del estado colado recocido o del estado conformado en caliente 10 recocido comprende la realización de al menos un conformado en frío.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque al menos se realiza un tratamiento de recocido en un intervalo de temperatura de 400 a 850°C.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque se realiza un recocido de eliminación de tensión/envejecimiento en intervalo de temperatura de 200 a 650°C.

15. Uso del bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 8 para superficies de cojinetes de deslizamiento en componentes compuestos, para elementos de deslizamiento en motores de combustión, transmisiones, instalaciones de postratamiento de gases de escape, sistemas de palancas y articulaciones, grupos hidráulicos o en máquinas y equipos dentro de la construcción de maquinaria en general.

16. Uso del bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 8 para componentes en la 20 electrónica o la electrotecnia.

17. Uso del bronce multimaterial de cobre-estaño según una de las reivindicaciones 1 a 8 para objetos metálicos en la cría de de organismos acuáticos que viven en el agua de mar.