DE1205285B

DE1205285B - Verwendung von mangan- und siliziumhaltigen Kupferlegierungen fuer auf Abnutzung beanspruchte Gegenstaende

Info

Publication number: DE1205285B
Application number: DEV23471A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Kurt Dies
Original assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Priority date: 1962-12-28
Filing date: 1962-12-28
Publication date: 1965-11-18

Description

Verwendung von mangen- und siliziumhaltigen Kupferlegierungen für auf Abnutzung beanspruchte Gegenstände Die Erfindung befaßt sich mit manganhaltigen Kupferlegierungen, die als Werkstoff für Gegenstände verwendet werden, welche einer hohen Abnutzung und großen Wechselbeanspruchungen unterworfen sind. Sie werden vorzugsweise für die Fertigung von Gleitlagern, Synchronringen, Bremslamellen, Ventilführungen, Zylinderbüchsen, Kurbelwellen und Kurbelstangen benutzt.
Unter der Abnutzung sind die den Angaben in der DIN-Vorschrift 50 320 zu entnehmenden Eigenschaften, nämlich Reibung, Gleitung und Verschleiß, zu verstehen.
Gleitkörper laufen bekanntlich Gefahr, daß die Schmierung zeitweise ausfällt. Einer Zerstörung der Gleitschicht kann in diesem Fall nur dadurch begegnet werden, daß ein Werkstoff Anwendung findet, der sich durch gute Notlaufeigenschaften auszeichnet und ein gutes Anschmiegen an den Gegenwerkstoff besitzt. Zusätzlich unterliegen derartige Gegenstände, die nur spärlich oder überhaupt nicht geschmiert werden, häufig auch noch zusätzlichen Schwingungen mit vielfach hohen Frequenzen, die zu Geräuschen im Schall- oder Überschallbereich führen. Solche hochfrequenten Schwingungen, die z. B. in Werkzeugmaschinen auftreten können, verursachen auf der Oberfläche der Werkstücke Rattermarken.
Maschinenteile, die einer Abnutzung ausgesetzt sind, unterliegen ferner auch noch Wechselbeanspruchungen. Sie rühren beispielsweise von Lagerdrücken, Öldrücken, Bremskräften oder Beaufschlagungen auf Kolben her und treten auch unter der Einwirkung mechanischer Kräfte bei Pleuelstangen und Pleuellagern auf. Um der Einwirkung derselben entgegenzutreten, müssen die in Frage kommenden Gegenstände außer einer guten Abnutzungsfestigkeit auch noch eine hohe Wechselfestigkeit aufweisen.
Zu der hohen Abnutzung gesellen sich weiterhin durch das Vorhandensein von Nuten, Kerben, Bohrungen oder Querschlitzübergängen hervorgerufene Spannungsspitzen. Gemessen wird die Kerbempfindlichkeit bekanntlich durch die Kerbwirkungszahl ßk, d. h. durch den Quotienten aus der Wechselfestigkeit im glatten Zustand und der im gekerbten.
Um die Gleiteigenschaften zu verbessern, sind bekanntlich für die Herstellung von Gleitkörpern, insbesondere für Lager, in die weiche Grundmasse des Werkstoffes härtere Gefügebestandteile eingebettet worden, die dank ihrer Härte die Abnutzung vermindern. Eine andere Möglichkeit zur Erzielung des gleichen Zweckes besteht darin, weiche Gefügebestandteile, wie z. B. Blei oder Zinn, in eine homogene Grundmasse einzubringen, so daß die ersteren beim Notlauf anschmelzen. Die Werkstoffe mit weicher Grundmasse und harten Gefügebestandteilen greifen jedoch den Wellenwerkstoff sehr stark an, weil sie nicht anschmiegsam sind. Außerdem haftet an den harten Kristallen der Schmierfilm sehr schlecht, so daß nur mangelnde Notlaufeigenschaften vorhanden sind.
Zur Verbesserung der Wechselfestigkeit ist ferner auch schon von einem möglichst homogenen Gefügeaufbau ausgegangen worden. Durch Zusätze, wie beispielsweise Aluminium, Nickel oder Mangan, wurde der Mischkristall so verfestigt, daß eine höhere Wechselfestigkeit, als sie im Ausgangszustand vorhanden war, eintrat. Diesen Werkstoffen haftet jedoch der Nachteil an, daß die Wechselfestigkeit im gekerbten Zustand stets viel kleiner ist als im glatten, d. h., die Kerbwirkungszahl A liegt wesentlich über 1, meist zwischen 2 und 4.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, heterogene Werkstoffe für Gleitkörper zu finden, die besonders anpassungsfähig sind und sich der Oberfläche des Gegenwerkstoffes besonders gut anschmiegen und bei denen außerdem die Nachteile der harten und unnachgiebigen Einlagerungen vermieden sind. Ferner sollen sie eine große Unempfindlichkeit gegen Kerben bei wechselnder Beanspruchung haben. Weiterhin wird verlangt; daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe eine hohe Dämpfungsfähigkeit für Frequenzen im Schall- und Überschallbereich aufweisen. Diese Forderungen sind erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß in der Grundmasse des Werkstoffes verhältnismäßig niedriger Härte etwas härtere, aber keinesfalls harte Tragkristalle eingebaut sind, deren äußere Begrenzung aus einem hexagonalen Prisma besteht und die zusätzlich in Richtung ihrer Längsachsen einen Hohlraum aufweisen, wodurch die Kristalle elastischer, nachgiebiger und anschmiegsamer werden und sich deshalb bei der Beanspruchung dem reibenden Gegenwerkstoff besser anzupassen vermögen.
Weiterhin haben diese hexagonalen und hohlen Kristalle noch die Wirkung, daß an ihnen die Schmiermittel besser absorbiert werden als an nicht hohlen Kristallen. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich ferner dadurch aus, daß die hohen Frequenzen im Schall- und Überschallbereich außerordentlich stark gedämpft sind, so daß solche Gleitkörper keine unerwünschten und schädlichen Schwingungen verursachen.
Als besonders wirksam zur Erzeugung solcher hexagonalen Hohlprismen haben sich Kupferlegierungen mit Mangan und Silizium erwiesen, in denen diese beiden Bestandteile vorzugsweise in dem stöchiometrischen Verhältnis Mn.Si. mit einem Verhältnis von Mangan zu Silizium wie 3,3: 1 vertreten sind. Die Größe der Kristalle ist sehr verschieden. Sie kann von Bruchteilen eines Tausendstelmillimeters bis etwa auf das Hundertfache desselben anwachsen. Die Mn5Si3 Kristallart scheidet sich im Gefüge aus der Grundmasse aus.
Kupfer-Mangan-Silizium-Legierungen dieser Art und die Abscheidung der intermetallischen Verbindung Mn5Si. bei bestimmten, ohne weiteres zu ermittelnden Verhältnissen ihrer Gehalte an Silizium zu Mangan sind an sich bekannt. Technisch wurden bereits Bronzen mit 5 bis 12% Mn und 1,2 bis 3% Si verwendet, bei denen das Verhältnis von Mangan zu Silizium etwa 4: 1 betrug. Diese Legierungen zeigten nach Aushärtungsbehandlung zum Teil beachtliche Festigkeitseigenschaften. Die hohe Dämpfungsfähigkeit bei gleichzeitig guter Anpassungsfähigkeit bei Beanspruchung und geringer Kerbempfindlichkeit einer bestimmten Auswahl dieser Legierungen und die technische Ausnutzung dieser Eigenschaften gehörten jedoch bisher nicht zum Stand der Technik.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe haben weiterhin den Vorteil, daß Mangan und Silizium, die an sich die Wärmeleitfähigkeit sehr stark herabsetzen und deshalb für Gegenstände, die auf Abnutzung beansprucht werden, schädlich sind, in der erfindungsgemäßen Form als hexagonale Hohlkörper der Verbindung Mn,Si" überraschend die Wärmeleitfähigkeit nur wenig vermindern. Die vorteilhafte Verwendung der hexagonalen Hohlkörper aus Mn,Si3 wird nicht beeinträchtigt, wenn den Kupferlegierungen noch bis zu 50% Zink, bis zu 11% Aluminium, bis zu 3 % Blei, bis zu 30 % Nickel und bis zu 5% Eisen zugesetzt werden. Mangan und Silizium sind in folgenden Mengen vertreten: 0,1 bis 2% Silizium, 0,33 bis 6,6% Mangan. Die Form der hexagonalen Hohlprismen ist in den A b b. 1 a bis 1 c schematisch dargestellt. Im Gußzustand sind die Hohlprismen meist regellos verteilt, so daß sich bei einem Schliff verschiedenartige Schnittfiguren ergeben können. Durch Kalt- oder Warmverknetung tritt meist eine Regelung der Kristalle derart ein, daß die Längsachse der Kristalle mit der Verformungsrichtung weitgehend übereinstimmt.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen werden auf dem üblichen Schmelzweg im Sandguß, Kokillenguß, Strangguß und Genauguß hergestellt und entweder in diesem Zustand oder aber auch nach einer Kalt- und Warmverknetung zu Gegenständen, die einer Abnutzung und wesentlichen Beanspruchung ausgesetzt sind, verarbeitet. Es ist auch möglich, die Werkstoffe im Gußzustand oder während der Weiterverarbeitung einer Wärmebehandlung zu unterziehen, die aus einem Glühen unterhalb der Soliduslinie der Legierung mit nachfolgender Abkühlung und einer anschließenden Glühung im Temperaturgebiet zwischen 200 und 600° C, vorzugsweise um 450° C, besteht. Vor oder nach dieser Wärmebehandlung empfiehlt es sich, zwischen 200 und 600° C noch eine Kaltverformung vor- oder nachzuschalten.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können die nachstehenden Zusammensetzungen aufweisen:

o/o Cu o/o Mn VO Si o/o Al o/o Ni o/0 Pb °/o Fe o/o Zn

1 Rest 6,6 2,0 0,05 0,1 0,01 0,01 0,05

2 Rest 3,3 1,0 11,0 0,1 0,2 4,5 0,5

3 80 4,4 1,5 0,04 0,1 0,1 0,1 Rest

4 68 3,3 1,0 0,05 0,05 0,3 0,1 Rest

5 56 0,33 0,1 0,2 0,1 3,0 0,1 Rest

6 58 1,65 0,5 2,5 1,0 1,0 0,8 Rest

7 57 0,65 0,2 1,3 0,05 0,6 0,3 Rest

8 50 1,65 0,5 0,1 12,0 0,1 0,1 Rest

Die geringe Kerbempfindlichkeit wird an Hand eines Beispiels nach der Legierung 6 erläutert. Diese Legierung weist im verkneteten Zustand eine Streckgrenze von 32 kp/mm2 und eine Zugfestigkeit von 65,1 kplmm2 auf. Die Wechselfestigkeit am glatten Stab bei 20: 108 Lastwechseln beträgt 18,1 kp/mm2 und die Wechselfestigkeit im gekerbten Zustand 16,9 kp/mm2. Die Kerbwirkungszahl ßk beträgt demnach 1,07. Die ist somit überraschend niedriger als bei einem üblichen Werkstoff gleicher Festigkeit, bei dem die Kerbwirkungszahl zwischen 2 und 4 liegt. Im unverkneteten Zustand ergeben sich noch günstigere Werte. Hier liegt die Wechselfestigkeit im glatten Zustand bei 1.3,0 kp/mm2 und im gekerbten Zustand bei 16,0 kp/mm2. Die Kerbwirkungszahl A beträgt demnach etwa 0,8. Dieser Werkstoff ist somit den üblichen Werkstoffen hinsichtlich der Kerbempfindlichkeit wesentlich überlegen und daher besonders in einer Kombination von Wechselbeanspruchung und Abnutzung brauchbar. Die erhöhte Dämpfungsfähigkeit bei hochfrequenten Schwingungen wird am Beispiel der Legierung 7 erläutert: Wird ein zylindrischer Körper, beispielsweise eine Stange oder ein Bolzen, im gepreßten Zustand einer hochfrequenten Schwingung von z. B. 2 MHz unterworfen, so ist diese Schwingung bereits nach 5 cm Eindringtiefe so weit gedämpft, daß sie an einer weiter entfernten reflektierenden Fläche nicht mehr zurückgeworfen werden kann. Von dem eingeleiteten Überschallimpuls erfolgt somit kein Echo. Dagegen tritt bei der gleichen Legierungszusammensetzung, jedoch ohne Mangan und Silizium, unter den gleichen Bedingungen ein Ultraschallecho noch in mehreren Metern Entfernung vom Eingangspunkt auf. Die Dämpfung ist dabei wegen des Fehlens der erfindungsgemäßen Hohlprismen außerordentlich gering.

Claims

Patentanspruch: Verwendung von Kupferlegierungen, bestehend aus 0,33 bis 6,6% Mangan, 0,1 bis 2% Silizium, gegebenenfalls zusätzlich noch bis zu 50% Zink, bis zu 11% Aluminium, bis zu 3% Blei, bis zu 30% Nickel, bis zu 5% Eisen und bis zu 3% anderen Bestandteilen, Rest Kupfer, mit der Maßgabe, daß das Verhältnis des Gehaltes an Silizium zu dem Gehalt an Mangan mindestens 1: 3,3 beträgt, als Werkstoff für Gegenstände, von denen eine gute Anpassungsfähigkeit bei Beanspruchung auf Abnutzung und eine geringe Kerbempfindlichkeit gefordert wird und die sich ferner durch hohe Dämpfungsfähigkeit auszeichnen. In Betracht gezogene Druckschriften: »Metall«, 7 (1953), S. 186 bis 189.