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Verfahren zur Herstellung eines Lagerwerkstoffes auf der Basis einer Zn-AI-Cu-Legierung
Manche binäre Legierungen bestehen im festen Zustand aus Mischkristallen, d. h. aus atomaren Lösungen, deren Bestand sich aber nur auf bestimmte Temperaturgebiete beschränkt.
Im System Zink-Aluminium liegen bei Aluminiumgehalten über 17"/ () Al ähnliche Verhältnisse vor. In der Zeichnung ist ein Ausschnitt
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17"/oAl erstarren zu ss-Mischkristallen, Linie a-b. Beträgt der Aluminiumanteil zwischen 17 und 21%, scheiden bei der weiteren Abkühlung Zinkkristalle aus, während der Aluminiumgehalt der ss-Mischkristalle bis 21 /o Al steigt, Linie a-c.
Dieser Vorgang ist bei 275 C beendet. Bei dieser Temperatur zerfallen die ss-Mischkristalle in ein Eutektoid ,,c" Legierungen mit mehr als 21% Al zerfallen bei der weiteren Abkühlung, Linie c-d, in zwei Mischkristallarten, deren zinkreichere bei 2750 C ebenfalls in das Eutektoid c übergeht. Es bestehen somit Aluminium - Zink - Legierungen mit einem Alu-
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tektoid und über 210f0 Eutektoid und aluminiumreichen ss-Mischkristallen.
Bei reinen Aluminium-Zink-Legierungen geht der eutektivide Zerfall schnell vor sich, durch Zusätze von Mg, Cu und ähnlichen Elementen wird er gehemmt.
Abgeschreckte Legierungen zeigen erhöhte Festigkeitseigenschaften, das Abschrecken nach längerem Glühen über 2750 C stellt somit einen Vergütungsvorgang dar.
Die Legierungen, die zum grossen Teil oder ganz aus ss - Mischkristallen bestehen, haben sich als Lagerlegierungen bewährt. Insbesondere zeigte sich bei Legierungen mit mehr als 300f0 AI, mit einem Cu-Gehalt Von 1/6 bis 1/4 des Al-Gehaltes und Rest Zink, dass eine Herabsetzung der Festigkeit und Härte durch Zerfallsglühungen zwischen 80 und 280 C einen überraschenden Anstieg der Lagereigenschaften mit sich bringt, wenn man darunter einen geringeren Reibungskoeffizienten und hervorragende Notlaufeigenschaften versteht. Auch im öllosen Lauf werden Welle und Zapfen nicht angefressen, während dies bei vergüteten Legierungen oder solchen, die durch Giessen rasch abgekühlt wurden, der Fall ist.
Weiters wurde eine Lagerlegierung auf AlCu-Zn-Basis empfohlen, die 3-15% AI, 0, 001
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enthält. Diese Legierung zeigt jedoch keine aus- geprägte Notlaufeigenschaft.
Ferner war es bekannt, dass Legierungen mit
80-85% Zn, 14-19% Al und l-2 < '/o Cu oder mit 80-85% Zn, 14-18% Al und 0-6% Cu ausserordentliche Zugfestigkeiten und Härten aufweisen und sich besonders für die Herstellung von Spritzgussstücken, gezogenen Stäben und
Blechen eignen.
Es wurde nun gefunden, dass auch die Legie- rungen mit 18-29% Al und gewissen Kupfer- gehalten, Rest Zink, bei zweckentsprechender
Vornahme der Zerfallsglühung, gute Lagerwerk- stoffe ergeben. Dies war für den Fachmann überraschend, weil bisher bei hohen Aluminium- gehalten angenommen wurde, dass es auf den
Anteil der ss-Mischkristalle ankommt, der im er- findungsgemässen Legierungsbereich gering oder gleich Null ist. In diesem Bereich kommt es in erster Linie auf das eutektoidische Gefüge an.
Alle Versuche, die erfindungsgemässen Legierun- gen als Lagerwerkstoffe zu verwenden, scheiter- ten an der schlechten Notlaufeigenschaft, da man die Bedeutung der Zerfallsglühung nicht erkannte. Es zeigte sich, nämlich, dass bei kupferhältigen Legierungen mit mehr als 16% Al die natürliche Abkühlung in Sand- oder Dauerformen nicht genügt, um den Zerfall zu feinkörnigem Eutektoid herbeizuführen, es muss vielmehr die abgekühlte Legierung einem nachträglichen Aufheizen von Raumtemperatur an unterworfen werden.
Ein Beispiel zeigt den Effekt. Eine Legierung aus 21% AI, S'/o Cu und 74% Feinzink 99,99%ig wurde in Sandform zu Bolzen vergossen. Die Festigkeitsprüfung ergab eine Zerreissfestigkeit von 40 kg/mm2, eine Dehnung von 5% und eine Brinellhärte von 130 kg/mm2. Aus den Bolzen wurden Büchsen hergestellt und in einer entsprechenden Anordnung unter konstantem Lagerdruck und Geschwindigkeit mit Olschmie- rung dem Lauf überlassen. Nach Absperrung der ölzufuhr stieg die Temperatur des Lagers
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innerhalb von 80 Sekunden von 600 C auf
3200 C, der Lagerzapfen wurde angefressen und die Maschine blieb stehen.
Dieselbe
Legierung wurde einer 12-stündigen Zerfalls- glühung bei 2000 C unterworfen. Die mecha- nischen Eigenschaften hatten sich verschlech- tert. Die Zerreissfestigkeit betrug 30 kg/mm2, die Dehnung 5% und die Brinellhärte nur 100 kg/mm2. Aus diesen Bolzen wurden Büch- sen hergestellt und dem geschilderten Laufver- such unterzogen. Nach Absperrung der Olzufuhr stieg die Lagertemperatur erst innerhalb von 300 Sekunden von 500 C auf 2200 C, der Reibungswiderstand nahm zwar stark zu, doch bildete sich auf der Lauffläche eine graue, schmierige Paste, so dass es nicht zum Anfressen des Zapfens kam.
Das Beispiel zeigt, dass die Zerfallsglühung wohl eine Verminderung der mechanischen Eigenschaften, dafür aber eine entscheidende Verbesserung der Lagereigenschaften mit sich brachte.
Das Verfahren der Herstellung von Lagerlegierungen mit guten Notlaufeigenschaften durch Glühen von Zink-Aluminium-Kupfer-Legierungen bei Temperaturen zwischen 150 und 2750 C ergibt die besten Ergebnisse bei Legierungen mit 18 bis 29 /o AI, einen Kupfergehalt zwischen 1/10 und 1/4 des Aluminiumgehaltes, mindestens jedoch 2, 2% und Rest Feinzink 99, 990/0. Insbesondere die Legierungen zwischen 20 und zo AI, einem Kupfergehalt von Vio bis 1/4 des Aluminiumgehaltes, Rest Zink, ergaben ein hervorragendes Notlaufverhalten, wobei die im Beispiel genannte Legierung mit 21% AI, 5% Cu, 74 /o Feinzink sowohl im Sandguss,
Kokillenguss als auch im gepressten Zustand nach der Zerfallsglühung optimales Notlaufverhalten zeigte.
Die Legierungen müssen mit Feinzink mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99, 9% Zn
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1mium weniger als zit bestehen darf. In dem Masse wie die Kadmium- und Zinngehalte niedriger sind, kann der Pb-Gehalt höher liegen (Pb max. 0, 1 bei Cd = 0, Sn = 0). Die Legierungen dürfen ferner keinen Magnesiumgehalt über
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Temperaturbereich für wirtschaftlich tragbare Glühzeiten ist 170 C bis 2750 C, doch kann auch bei tieferer Temperatur geglüht werden, wenn längere Glühzeiten in Kauf genommen werden. Die Glühdauer ist nicht nur von der Glühtemperatur, sondern auch vom Kupfergehalt abhängig. Die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Werte für die Glühtemperatur stellen nur Richtwerte dar und die Erfindung ist nicht auf sie beschränkt. Die Tabelle soll vor allem den Zusammenhang zwischen Glühtemperatur, Kupfergehalt und Glühdauer veranschaulichen.
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auch kürzere Glühzeiten um zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen.
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<tb>
<tb>
Glühremperatur <SEP> Glühdauer <SEP> in <SEP> Stunden
<tb> c <SEP> Cu <SEP> = <SEP> · <SEP> Al <SEP> Cu <SEP> = <SEP> # <SEP> Al
<tb> 270 <SEP> 6 <SEP> 3
<tb> 250 <SEP> 12 <SEP> 6
<tb> 200 <SEP> 24 <SEP> 15
<tb> 170 <SEP> 36 <SEP> 22
<tb> 150 <SEP> 60 <SEP> 32
<tb>
Den scheinbar günstigeren Verhältnissen beim
Kupfergehalt von 1/10 des Aluminiumgehaltes stehen niedrigere Härten der Legierung gegen- über.
Wird die geschilderte Glühung mehr wie ein- mal durchgeführt, so zeigt sich als weiterer für die Lagereigenschaft der Metallegierungen wich- tiger Vorteil eine mit der Anzahl der Glühun- gen fortschreitende Senkung des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten. Während ein nicht getempertes Material im Bereich von 20 bis
1000 C einen linearen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten von 23 bis 25. 10-6 besitzt, sinkt derselbe nach zweimaliger Glühung auf 20'10 -6 bis 22. 10-6. Nach einmaliger Glühung auf 18. 10-6 bis 20. 10-6. Der Effekt weiterer Glühungen wird immer geringer und es bleibt dem ins Auge gefassten Verwendungszweck überlassen zu prüfen, wie weit die dadurch erzielte
Senkung zu dem grösseren Aufwand, z. B. für Präzisionslager, in einem angemessenen Verhältnis steht.
Hinsichtlich der Härte der Legierungen ist ein Kupfergehalt von 1/4 bis 1/6 des Aluminiumgehaltes am besten.
Um die Zerfallsvorgänge beim Glühen zu beschleunigen, kann man die Temperaturen während des Glühens mehrmals zwischen 1500 bis 2750 C schwanken lassen. Bei diesem Pendelglühen muss natürlich die Temperatur nicht bis auf 150 C sinken bzw. bis auf 275 C steigen, sondern es kann die Temperatur in einem Bereich schwanken, der zwischen diesen beiden Werten liegt.
Eine Aushärtung, das ist ein Glühen über 275 C, durch ; Has das Gefüge homogenisiert wird, ist zu vermeiden, da eine Legierung der gegenständlichen Zusammensetzung mit einem homogenen Gefüge als Lagerwerkstoff ungeeignet ist.
Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass es bisher nicht gelungen ist, genau festzustellen, ob bei 21 /o oder bei 22% Al das Eutektoid, in der Zeichnung mit c bezeichnet, erhalten wird.
Es ist daher die Angabe 21% nur als Annäherungswert hiefür zu betrachten.
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