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Formstücke aus homogenen Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze) und Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Verformung durch Stauchen unterworfen werden, wobei der Stauchvorgang als Kaltverformung oder
Warmverformung durchgeführt werden kann, und dass hierauf die endgültige Formgebung durch Schmieden bewirkt wird. Es ist festgestellt worden, dass es für die Herstellung von Sehmiedestücken von wesentlicher
Bedeutung ist, die mechanische Bearbeitung durch Stauchen unter dem Hammer oder in der Presse vorzunehmen, also bei der Verformung eine Materialverschiebung senkrecht zur Kraftrichtung zu bewirken.
Die für die Herstellung von Rohren oder auch vollen Stangen anwendbare mechanische Bearbeitung zum Zwecke der Homogenisierung durch Ziehen oder ein Verpressen auf der Strangpresse, also Verformungen, bei welchen die Materialverschiebung in der Kraftrichtung erfolgt, lässt hingegen Formlinge, die durch
Schmieden gut verarbeitbar sind, nicht erzielen, weil im Guss häufig Poren oder Lunker vorhanden sind, die durch eine Streckung des Materiales, sei es durch Ziehen, Walzen oder Verpressen auf der Strangpresse, nicht zuverlässig beseitigt werden können. Ebensowenig lassen sich noch vorhandene Eutektoidanh äufungen durch ein Strecken des Materiales sicher zum Verschwinden bringen.
Bei Rohren oder Stangen kommt diesem Umstand nicht die gleiche Bedeutung zu, wie bei geschmiedeten Konstruktionsteilen, da diese letzteren, ausser der Beanspruchung auf gleitende Bewegung, in der Regel auch hohen Beanspruchungen durch Kraftübertragung ausgesetzt sind. Die durch das Vorhandensein von Poren und Lunkern gegebene Gefahr ist bei der weitgehenden Verformung, wie sie mit dem Ausscl1mieden von Formteilen in der Regel verbunden ist, besonders gross, weil Poren und Lunker zum Ausgangspunkt von Spannungsrissen werden können. Durch das Stauchen des Materiales gemäss der Erfindung, insbesondere durch wiederholtes Stauchen in verschiedener Richtung werden die Poren und Lunker verschweisst.
Im Zuge dieser thermischen und mechanischen Bearbeitung besonderer Art wird somit nicht nur das Gefüge in metallographischem Sinne homogenisiert, sondern darüber hinaus eine weitgehendere Verdichtung des Materiales, als dies bei dem Ziehen von Rohren oder Pressen von Stangen erreicht wird, erzielt. Durch das Stauchen wird ferner eine Materialverschiebung bewirkt, die sich zum Unterschied von der Längenstreckung durch Ziehen, Walzen oder Verpressen auf der Strangpresse nicht in einer Ausbildung gerader und paralleler, lediglich nach der Längsachse der Materialverschiebung orientierter Fliesslinien äussert, sondern zur Ausbildung von gekrümmten, in der Regel im Raum sich kreuzenden Fliesslinien führt, die im wesentlichen um im Innern des Werkstückes gedachte Zentren herumgelagert sind.
Dieser Auswirkung der mechanischen Bearbeitung durch Stauchen, die während des ganzen Arbeitsverfahrens beibehalten bleibt, kommt sehr erhebliche Bedeutung zu, da auf diese Weise nach dem Formschmieden Formstücke erhalten werden, welche auch bei grossen Beanspruchungen keine Rissbildungen zeigen. Man erhält demnach gemäss der Erfindung geschmiedete Formstücke aus Bronze der angegebenen Zusammensetzung mit einem homogenen Gefüge (a-Struktur), welche um im Innern des Formstückes gedachte Zentren herumgelagerte gekrümmte Fliesslinien des Materiales aufweisen. Die Beschaffenheit dieser Erzeugnisse kann objektiv leicht festgestellt werden, indem die Zusammensetzung der Legierung analytisch, die Homogenität (a-Struktur) des Gefüges und der ungerade Verlauf der Fliesslinien metallographisch nachweisbar ist.
Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert :
Zur Verschmiedung gelangt beispielsweise eine Legierung von der Zusammensetzung 91. 2% Cu, 8-5% Sn und 0. 3% P, die sich nach den angestellten Versuchen als das Optimum erwiesen hat, in Form eines möglichst feinkörnigen Gussformlings. Gussformlinge dieser Zusammensetzung zeigen die Neigung, schon bei verhältnismässig gringen Verformungen, etwa 30-35%, durch Gleitungsbrüche zu zerfallen, was vornehmlich auf die im Guss vorhandenen Sn-und P-reiehen Eutektoide, die ein sehr geringes Form- änderungsvermögen besitzen, zurückzuführen ist.
Um die Verformungsfähigkeit zu steigern, wird zunächst durch eine Glühung die Homogenisierung eingeleitet, die unterhalb des Schmelzpunktes der niedrigst schmelzenden Eutektoide durchgeführt werden muss, weshalb die Temperatur der Glühung nicht mehr als etwa 700 C, zweckmässig 600 C betragen soll. Die Glühdauer ist dadurch bestimmt, dass die für den Gusszustand typischen Inseln der erwähnten Eutektoide zum Verschwinden gebracht werden sollen ; sie kann bis zur vollkommenen Auflösung des Gussgefüges fortgesetzt werden, doch ist es nicht erforderlich, schon im Vorglühprozess eine vollständige Lösung der dendritischen Deltakristalle und der Eutektoide herbeizuführen, wenn die Möglichkeit vorliegt, die Auflösung im Zuge der weiteren Verarbeitung fortzusetzen und zu Ende zu führen.
Der geglühte Gussformling zeigt eine grössere Verformungsfähigkeit als das Ausgangsmaterial, indem der Zerreissversuch zwar nur geringe Festigkeitswerte, so doch hohe Bruchdehnung und Einschnürung zeigt. Es folgt nun zur Verschweissung der Poren und Lunker das Stauchen, zweckmässig nach verschiedenen Richtungen, wobei eine Verformung im Sinne einer Höhenabnahme um 5-35%, vorzugsweise 8-20%, zweckmässig ist. Das Stauchen kann unter dem Hammer oder in der Presse erfolgen und als Kaltverformung oder Warmverformung durchgeführt werden. Bei geringeren Verformungsgraden wird durch Warmverformung etwa die gleiche Wirkung erreicht wie bei höheren Verformungsgraden durch Kaltverformung. Die Kaltverformung wird bei Temperaturen unter etwa 300 C, die Warmverformung bei Temperaturen zwischen 300 und 70000 C vorgenommen.
Der Glühvorgang und der Verformungsvorgang, durch welchen das Material für die endgültige Formgebung durch Sehmiedung vorbereitet wird, stehen miteinander in wechselseitigen Beziehungen.
Da durch eine zu lange oder zu hohe Glühung die Kristallkörner sehr gross werden können, was für die
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beim Schmieden in der Regel notwendige hohe Verformung nachteilig ist, weil die Gefahr des Reissens auftritt, so ist es erforderlich, entweder die Glühung vor Erzielung der vollständigen Homogenität zu beenden oder die Verformung, innerhalb der angegebenen Grenzen, möglichst hoch zu wählen, um durch Zertrümmerung der grossen Kristalle die erwünschte Feinkörnigkeit zu erzielen. Die geschilderten vorbereitenden Verfahren müssen keineswegs in je einem Arbeitsgang vollendet werden.
Es kann sich vielmehr empfehlen, sowohl den Glühprozess als auch die Stauchung in mehreren Stufen in der Art durchzuführen, dass auf einen Glühvorgang ein Stauchungsvorgang, hierauf ein neuerlicher Glühvorgang folgt, wobei derartige Teilvorgänge auch noch weiter wiederholt werden können, bis der gewünschte Grad von Feinkörnigkeit und Homogenität erzielt ist. Das in dieser Weise durch thermische und eine spezifische mechanische Bearbeitung vorbereitete Material kann im kalten Zustande ausgeschmiedet werden, wobei in einem Arbeitsgang Verformungen bis zu 90% erzielt werden können. Mit der Verformung tritt gleichzeitig eine Verfestigung ein, die zu Festigkeiten von über 9000 kg/cm2 führen kann.
Die Dehnung des so erhaltenen Materiales nimmt mit der Festigkeit ab, doch sind selbst bei Festigkeiten von über 7500 /cM Einschnürungswerte beobachtet worden, die beweisen, dass auch das Formänderungsvermögen dieses so festen Werkstoffes ausserordentlich gross ist.
Zufolge des ausserordentlich hohen Verformungsvermögens der in der angegebenen Weise behandelten Bronze können, wie praktische Gesenkschmiedeversuche ergeben, auch Stücke mit ungünstiger Massenverteilung, also stark wechselnden Querschnitten ohne Bruchgefahr ausgeschlagen oder gepresst werden. Die Zunahme an Festigkeit, die kristallographisch durch die Zertrümmerung und Auflockerung des Gefüges gekennzeichnet ist, folgt hinsichtlich Verteilung und Grösse der Materialbewegung. Stärkere Verschiebungen haben ein feinkörnigeres und härteres Gefüge zur Folge als schwächere. Schon bei der Konstruktion des zu schmiedenden Teiles und der Gesenke kann ebenso wie schon bei der mechanischen Vorbehandlung des Rohlings durch Stauchen auf gleichmässige Festigkeit im fertigen Stück oder auf besondere Festigkeitseigenschaften in einzelnen Zonen Rücksicht genommen werden.
Durch Schmierung der Gesenke wird die Materialbewegung erleichtert. Das Ausschmieden der Stücke kann nicht nur als Kaltverformung bei Temperaturen bis etwa 300 C ausgeführt werden, sondern ebenso wie die mechanische Vorbehandlung kann die endgültige Formgebung durch Schmieden auch bei Temperaturen über 300 C vorgenommen werden. Der Formänderungswiderstand sinkt mit steigender Temperatur bis auf etwa ein Drittel herab. Grundsätzlich ist es möglich, die Verschmiedung bei Temperaturen bis gegen 700 C vorzunehmen, doch ist-wie Warmzerreissversuche zeigen-die Bruchdehnung und die Einschnürung bei höheren Temperaturen als 300 C, etwa proportional dem Formänderungswiderstand, so gering, dass hohe Verformungsgrade infolge vorzeitiger Rissbildung nicht erreichbar-sind.
Dazu kommt noch, dass beim Warmschmieden die zu erreichende Festigkeit nicht so leicht vorausbestimmt und nicht so hoch getrieben werden kann als bei der Kaltverformung, weil entsprechend der jeweiligen Schmiedetemperatur gleichzeitig mit der erzielten Verfestigung die Kristallerholung und gegebenenfalls auch eine merkliche Rekristallisation eintritt. Insbesondere wenn hohe Festigkeiten des geschmiedeten Formstückes erzielt werden sollen, ist es daher empfehlenswert, bei starker Höhenabnahme die Formgebung als Kaltschmiedung durchzuführen.
Durch zweckmässige Konstruktion der Gesenke, durch ihr Wärmefassungsvermögen, eventuelle Kühlung und Zupassung der Verformungszeit lässt es sich erreichen, dass gewisse Teile der Aussenschichten höhere Härten erlangen als die innen liegenden Teile, die länger warm bleiben und daher mehr Zeit zur Kristallerholung haben.
Die Schmiedung zur Formgebung lässt sich auf ein Minimum, im Grenzfall auf einen einzigen Arbeitsgang beschränken, wenn durch das Vorverfahren Korngrösse und kristallographische Homogenität bereits in befriedigendem Ausmasse erzielt wurden. Erscheint es hingegen, beispielsweise aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, zweckmässig, die thermische und mechanische Vorbehandlung des Materiales nicht bis zur Erzielung einer völligen Homogenität durchzuführen, so wird man beim Formschmieden in mehreren Arbeitsgängen mit Zwischenglühungen verfahren und damit die auch mit dem Formschmieden verbundene, mechanische Auflockerung des Gefüges, die Diffusion der heterogenen Gefügebestandteile bzw. den Konzentrationsausgleich fördern.
Man kann das Formschmieden in mehreren Arbeitsgängen vorteilhaft auch in der Weise ausführen, dass mindestens in einem Arbeitsgang eine Warmschmiedung erfolgt, und der letzte Arbeitsgang als Kaltschmieden ausgeführt wird.
Das Formschmieden wird ebenso wie die mechanische Vorbehandlung durch Stauchen unter dem Hammer oder in der Presse durchgeführt. Eine starre Grenze zwischen Arbeitsgängen, die zur Vorbehandlung und zu dem Ausschmieden gehören, ist nicht zu ziehen, indem Zwischenstufe vorhanden sein können, die noch der Homogenisierung und schon der Formgebung dienen. Doch liegt es im Wesen der Vorbehandlung, dass die Verformung durch das Stauchen zumindest in den ersten Arbeitsgängen verhältnismässig gering ist, wohingegen das Ausschmieden in der Regel unter starker Verformung erfolgt.
Der letzte, die endgültige Formgebung bewirkende Schmiedevorgang setzt jedenfalls die vorhergehende vollständige Homogenisierung des Materiales voraus.
Die Erzeugnisse gemäss der Erfindung aus Bronze von der vorstehend angegebenen Zusammensetzung sind vor allem verwendbar für : abnützungsfrei arbeitende Gleitsteine, Kupplungsteile, Zahn-
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räder, Steuerungsnocken, Pressemuttern, Spurlinsen, kurz für alle Formteile, die gleitender Bewegung unter den höchsten Drücken selbst bei mangelhafter Schmierung ausgesetzt sind.
Da man beim Schmieden unter dem Hammer und beim Pressen in der Wahl und Reihung der Arbeitsgänge weit weniger beschränkt ist als beim Rohrziehen, können auch Legierungen mit einem höheren Zinn-und Phosphorgehalt verarbeitet werden, als dies bei der Herstellung von Bronzerohren möglich ist. Solche Legierungen mit Zinngehalten zwischen etwa 10 und 14% Zinn zeigen noch eine weitere Verbesserung der Gleiteigenschaften, kommen aber nur für Konstruktionsteile in Frage, von denen hauptsächlich höchste Festigkeit, jedoch geringeres Formänderungsvermögen gefordert wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Formstücke aus homogenen, a-Struktur aufweisenden Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze) mit einem Gehalt an Zinn zwischen 6% und 14% und einem Gehalt an Phosphor über 0-1%, vorzugsweise 0, 2-0. 4% (wobei Phosphor durch Silizium, Bor oder Beryllium ersetzt sein kann), insbesondere aus Legierungen von etwa 91. 2% Cu, etwa 8. 5% Sn und etwa 0. 3% P, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke gekrümmte Fliesslinien des Materiales aufweisen, welche um im Innern des Formstückes gedachte Zentren herumgelagert sind.