DE2818099A1

DE2818099A1 - Weissmetall-legierung und deren verwendung

Info

Publication number: DE2818099A1
Application number: DE19782818099
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Ing Laschimke; Albert Maier
Original assignee: HOHENZOLLERN HUETTENVERWALT
Current assignee: HOHENZOLLERN HUETTENVERWALT
Priority date: 1978-04-25
Filing date: 1978-04-25
Publication date: 1979-11-08
Also published as: ATA266079A; AT364887B; DE2818099C2

Description

Fürstlich Hohenzollernsche
Hüttenverwaltung Lauchertal Weißmetall-Legierung und deren Verwendung Die Erfindung betrifft Legierungen auf Zinnbasis und deren Verwendung als Lagerlegierung,insbesondere für hohe Lagerbelastungen bei pulsierender Last und erhöhte Lagertemperaturen.
Die Anwendung der als Weißmetalle bekannten Legierungen auf Zinnbasis, welche als wichtigste Legierungselemente Antimon, Kupfer, Kadmium und Arsen enthalten und im Verbundguß auf eine Lagerstützschale aus Stahl aufgegossen werden, hat gegenwärtig z.B. im Dieselmotorenbau eine Grenze erreicht. Mit der Steigerung der Motorenleistung, insbesondere bei großen Schiffsdieselmotoren, treten in den Haupt- und Schubstangenlagern Belastungen auf, die von Weißmetallen auf Zinnbasis oder auch auf Bleibasis nicht mehr ertragen werden können. Aus diesem Grunde muß oftmals auf den Einsatz von Weißmetallagern verzichtet werden und es werden stattdessen höher belastbare Lagerwerkstoffe, wie z.B. Aluminium-Zinn eingesetzt. Durch diesen Wechsel des Lagerwerkstoffes wird nun zwar eine höhere Tragfähigkeit und eine höhere Ermüdungsbeständigkeit der Lager erreicht, aber man muß gleichzeitig auch auf eine Reihe wertvoller Eigenschaften der Weißmetalle verzichten. So zeichnen sich die Weißmetalle aus durch gute Einbettfähigkeit für Schmutzpartikel und durch gute Anpassungsfähigkeit an die Welle, wodurch geometrische Ungenauigkeiten, bedingt durch Fertigungs- und Montagefehler, ausgeglichen werden. Außerdem erlauben Weißmetalle den Einsatz weicher, nicht gehärteter Wellen, da sie keine Verschweißneigung mit Stahl zeigen und hart tragende, mangelhaft geschmierte Stellen in einem Weißmetallager keine so hohen Temperaturen erreichen, daß die Stahlwelle bis zur Unbrauchbarkeit geschädigt wird. Die Weißmetalle beginnen nämlich wegen ihres niedrigen Schmelzpunktes zu schmelzen, noch bevor extrem starke Erwärmung des Lagers eintritt. Diese vorteilhaften Eigenschaften der Weißmetalllager kann man nicht in vollem Umfang beibehalten, wenn man wegen der Größe der Lagerbelastung auf andere Lagerwerkstoffe ausweichen muß. Es bestehen deshalb schon seit langem Bestrebungen, die Belastbarkeit der Weißmetallegierungen zu erhöhen.
Bei der Beurteilung der Belastbarkeit eines Lagerwerkstoffes ist zu unterscheiden zwischen der Tragfähigkeit gegenüber einer statisch auf das Lager wirkenden Last und der dynamischen Ermüdungsfestigkeit bei der Einwirkung einer pulsierenden Last oder auch einzelner Schläge.
Die statische Tragfähigkeit eines Lagerwerkstoffes wird vor allem durch dessen Härte bestimmt, die Ermüdungsfestigkeit hingegen kann bei gleicher Härte gut oder schlecht sein und hängt vor allem von der Dehnung des Werkstoffes und der Ausbildung des Gefüges, insbesondere von der Korngröße und der Kristallisationsform ab.
Es sind bereits Maßnahmen bekannt, um die Tragfähigkeit und die Ermüdungsfestigkeit der herkömmlichen Weißmetalle auf Zinnbasis zu verbessern, indem man metallurgisch auf die Kristallitenform und -größe einwirkt. So hat man der Weißmetallschmelze als kornfeinend wirkende Elemente Chrom und Kobalt hinzugegeben. Eine solche, chrom- und kobalthaltige Legierung ist z.B. das Super Metall "Hy" der Shichibo Metal Kogyo K.K., Japan.
Nach einer Untersuchung weist dieses Weißmetall folgende Zusammensetzung 3,53 % - Cu 8,61 % - Sb 0,9 % - Cd 0,15 % - Ni 0,38 % - Co 0,16 % - Cr 0,08 % - Fe Rest Zinn auf.
Weiter ist bekannt die kornfeinende Wirkung von Chrom durch einen Berylliumzusatz von 0,001 bis 0,1% bei einem Chromgehalt von 0,005 bis 0,2% und einem Cadmiumgehalt von 0,1 bis 1,5% noch zu verbessern. (Deutsche Patentschriften 17 58 821 und 20 51 277) Gegenstand der Erfindung sind Weißmetallegierungen auf Zinnbasis mit hoher Warmfestigkeit, hoher Ermüdungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und guter Bindungsfestigkeit auf Stahl, g e k e n n z e i c h n e t durch 5 - 10 % Antimon 2 - 5 % Kupfer 0,1 - 1,5 % Kadmium 0,1 - 1 % Arsen 0,1 - 0,8 % Nickel 0,1 - 0,5 % Kobalt 0,1 - 0,5 % Chrom 0,01 - 0,1 % Bor 0,1 - 0,5 % Zink 0,01 - 0,1 % Phosphor Rest Zinn und übliche Verunreinigungen.
Dabei sind alle Angaben in Gew.%. Als übliche Verunreinigungen kommen insbesondere in Betracht Eisen, Aluminium, Wismut.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine noch weitaus stärkere Kornfeinungswirkung zu erreichen ist, wenn ein Zinnbasis-Weißmetail, welches die herkömmlichen Legierungselemente Antimon, Kupfer und Kadmium sowie die ebenfalls bekannten Kornfeinungselemente Chrom und Kobalt enthält, zusätzlich Bor und Zink enthält.
Durch die kombinierte Wirkung dieser Elemente werden Eigenschaften erzielt, die über denen der bisher bekannten Weißmetalle liegen.
Die erfindungsgemäße Legierung weist in folgender Zusammensetzung optimale Eigenschaften auf: 7,1 - 7,9 % Sb 2,5 - 3,5 % Cu 0,5 - 1,2 % Cd 0,2 - 0,4 % As 0,1 - 0,2 % Ni 0,2 - 0,4 % Co 0,25 - 0,4 % Cr 0,02 - 0,08% B 0,1 - 0,2 % Zn 0,08 - 0,1 % P Rest Zinn und die üblichen Verunreinigungen.
Besonders bewährt haben sich Legierungen folgender Zusammensetzung: 7,5 % Sb 3 % Cu 1 % Cd 0,3 % As 0,16 % Ni 0,3 % Co 0,33 % Cr 0,05 % B 0,16 % Zn 0,1 % P Rest Zinn und übliche Verunreinigungen.
Als bekannte Grundlegierungselemente dieser Legierung gelten Zinn, Antimon, Kupfer, Kadmium, Nickel, Arsen und Phosphor.
Ebenfalls bereits bekannte Zusatzelemente mit kornfeinender Wirkung sind Kobalt und Chrom. Zink und Bor werden erfindungsgemäß neu hinzugegeben.
Das neben Bor erfindungsgemäß ebenfalls eingesetzte Zink galt bisher als schädliche Verunreinigung in Zinnbasis-Weißmetallen, da es die Dehnung verringert und die Bindung auf der Stahlstützschale verschlechtert. Durch einen Zusatz von Bor werden diese Nachteile von Zink jedoch aufgehoben und durch die gemeinsame Wirkung von Zink, Bor, Kobalt und Chrom eine wesentliche Verbesserung der Festigkeitseigenschaften, insbesondere der Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen erreicht.
Diese Verbesserung der Warmfestigkeitseigenschaften ist von entscheidender Bedeutung, da in den Gleitlagern von Dieselmotoren Temperaturen von 60 bis 1200C auftreten.
Die Erhöhung der Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung in Verbindung mit der ebenfalls sehr guten Warmdehnung vermindert die Gefahr der Rißbildung in der Weißmetallaufschicht. Die Feinkörnigkeit des Gefüges vermindert die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von entstandenen Rissen. Insgesamt wird dadurch die Neigung des Weißmetalles zur sogenannten Pflastersteinbildung verringert. Diese Pflastersteinbildung ist eine für Weißmetalle typische Ermüdungserscheinung, die bei höheren Belastungen, insbesondere bei pulsierenden Belastungen auftritt. Durch Dauerbrüche, die von der Lageroberfläche ausgehen, entsteht ein Netzwerk von Rissen. Diese Risse verlaufen im fortgeschrittenen Zustand auch parallel zur Bindungsebene Stahl/ Weißmetall und führen schließlich zum Herausbrechen von größeren, plattenförmigen Weißmetallpartikeln.
Gegenstand der Erfindung ist demnach weiter die Verwendung der vorgenannten erfindungsgemäßen Legierungen, einschließlich der besonders bevorzugten Legierungen als Lagerlegierungen, insbesondere für hohe Lagerbelastung bei pulsierender Last und erhöhter Lagertemperatur.

Die kornfeinende Wirkung der erfindungsgemäßen Legierungszusätze, insbesondere die kornfeinende Wirkung von Bor zeigen die in Fig. 1 bis 3 wiedergegebenen Mikrogefüge, die unter gleichen Abkühlungsbedingungen erhalten wurden.

Sb Cu Cd As Zn B Co Cr Ni P Sn#

herkömmliches

Weißmetall

ohne kornfei- 7,5 3,5 1,0 0,1 0,2 0,01 Rest

nende Legie-

rungszusätze

herkömmliches

Weißmetall

mit kornfei- 7,5 3,7 1,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,1 Rest

nenden Legie-

rungszusätzen

erfindungs-

gemäßes 7,5 3 1 0,3 0,16 0,05 0,3 0,33 0,16 0,1 Rest

Weißmetall

und übliche Vereinreinigungen Das Gefüge eines nicht korngefeinten Weißmetalles (Fig. 1) besteht aus einer weichen Zinngrundmasse mit geringem Antimongehalt und der darin eingebetteten grob nadelförmig auskristallisierten intermetallischen Phase Cu6Sn5. Der bei Antimongehalten über 8% erscheinende würfelförmig kristallisierende Gefügebestandteil SnSb tritt hier noch nicht auf.

Durch den Zusatz von Kobalt und Chrom (Fig. 2) wird bereits eine deutliche Verfeinerung der Cu6Sn5-Kristallite erreicht, jedoch ist die Wirkung noch relativ schwach.
Wird zusätzlich zu Chrom und Kobalt noch Bor und Zink zugesetzt, so tritt sowohl bezüglich des Kristallhabitus wie auch Kristallgröße eine sehr starke Veränderung der Cu6Sn5-Phase ein, wie Fig. 3 zeigt.
Die Verbesserung der Warmhärte, der Warmbruchfestigkeit und der Warmbruchdehnung des erfindungsgemäßen Weißmetalles gegenüber einem erstklassigen herkömmlichen Weißmetall zeigt Fig. 4.
Die Ermüdungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung wurde in einem Laststeigerungsversuch auf der Lagerprüfmaschine eines Großmotorenherstellers unter echten Motorenbetriebsbedingungen untersucht. Dabei werden Versuchslager mit einer Schichtdicke des Weißmetalles von 0,8 bis 1,0 mm verwendet. Das Lagermetall war im Schleudergußverfahren in Stahlstützschalen aus einem unlegierten Stahl mit 0,1 % Kohlenstoff eingegossen worden. Es wurde eine Prüfwelle von 195 mm Durchmesser aus dem Stahl 42 CrMo 4 mit einer Rauhigkeit von 5 Mikroinch CLA verwendet.
Die Temperatur im Lager wurde mit einem eingebauten Thermoelement gemessen und betrug 2 mm unter der Lagerlauffläche 750C. Die Drehzahl der Welle lag bei 1100 U/min. Die Lagerbelastung wurde nach dem Einlauf zunächst 600 Stunden auf 250 kp/cm2 gehalten. Dieser Belastungswert stellt für herkömmliche Lagermetalle bereits die äußerste Belastungsgrenze dar.
Sodann wurde die Belastung auf 280 kp/cm² gesteigert und 200 Stunden konstant gehalten. Anschließend wurde 150 Stunden lang mit 300 kp/cm² belastet. Selbst nach dieser weit über der bisher für Weißmetalle zulässigen Belastungsgrenze liegenden Beanspruchung zeigte die Laufschicht keinerlei Ermüdungserscheinungen.
Dieses Ergebnis ist besonders im Zusammenhang mit der relativ dicken Weißmetallschicht von 0,8 bis 1 mm zu sehen, da die Pflastersteinbildung als charakteristische Ermüdungserscheinung der Weißmetalle sehr stark von der Dicke der Weißmetallschicht abhängt. Je dünner die Weißmetallschicht, desto höher ist die Lagerbelastbarkeit bis zum Einsetzen von Pflastersteinbrüchen.
Im durchgeführten Lagerlaufversuch wurde die Weißmetallschichtdicke mit 0,8 bis 1,0 mm dicker gewählt, als sie für diesen Lagertyp üblich ist. Sie liegt bei herkömmlichen Weißmetallen bei 0,3 bis 0,8 mm.
Die wesentliche Erweiterung des Einsatzbereichs der Zinnbasis-Weißmetalle ergibt sich schon daraus, daß mit der erfindungsgemäßen Weißmetallegierung selbst bei einer Schichtdicke von 0,8 bis 1,0 mm cine Lagerbelastung von 300 kp/cm² im Dauerversuch durchgestanden wurde.

Claims

Patentansprüche: 1. Weißmetallegierung auf Zinnbasis mit hoher Warmfestigkeit, hoher Ermüdungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und guter Bindungsfestigkeit auf Stahl, g e k e n n z e i c h -net durch 5 - 10 % Antimon 2 - 5 % Kupfer 0,1 - 1,5 % Kadmium 0,1 - 1 % Arsen 0,1 - 0,8 % Nickel 0,1 - 0,5 % Kobalt 0,1 - 0,5 % Chrom 0,01 - 0,1 % Bor 0,1 - 0,5 % Zink 0,01 - 0,1 % Phosphor Rest Zinn und übliche Verunreinigungen 2. Legierung gemäß Patentanspruch 1 g e k e n n z e i c h n e t durch 7,1 - 7,9 % Sb 2,5 - 3,5 % Cn 0,5 - 1,2 % Cd 0,2 - 0,4 % As 0,1 - 0,2 % Ni 0,2 - 0,4 % Co 0,25 - 0,4 % Cr 0,02 - 0,Q8% B 0,1 - 0,2 % Zn 0,08 - 0,1 % P Rest Zinn und die üblichen Verunreinigungen.

3. Verwendung der Legierungen gemäß Anspruch 1 oder 2 für Lagerzwecke,insbesondere Lager hoher Beanspruchung durch pulsierende Last und erhöhte Lagertemperaturen.