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Gleitwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Gleitwerkstoff, der sich durch eine Vereinigung der hohen mechanischen Festigkeit der binären Knet-Zinnbronzen und der sehr guten Gleiteigenschaften der Guss-Zinnbleibronzen auszeichnet und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die als Knetlegierungen genormten Zinnbronzen, beispielsweise die Bronze Sn Bz 8 nach DIN 17662, besitzen, wie allgemein bekannt ist, trotz ihres homogenen Gefüges relativ gute Gleiteigenschaften, die jedoch nur bei einer Feinbearbeitung der Oberflächen von Welle und Lager in Erscheinung treten. Bei einer weniger sorgfältigen Bearbeitung, bei ungünstigen Einbaubedingungen sowie bei Verwendung ungehärteter Wellen tritt ein unzulässiger Verschleiss auf, da sich Welle und Lager nicht einlaufen und Fluchtfehler nicht ausgeglichen werden. Bei höheren Belastungen muss unbedingt für eine zuverlässige Schmierung der Lagerstellen gesorgt werden ; Wasserschmierung z. B. ist für ein ordnungsgemässes Gleitverhalten nicht ausreichend.
Wegen der hohen Festigkeit und Härte, sowie der Homogenität des Gleitwerkstoffes besteht praktisch kein Einbettungsvermögen für Fremdstoffe, wie Schmutzteilchen und abgeriebene Metallflitter. Eine Ölverschmutzung muss bei Ölschmierung daher unbedingt vermieden werden.
Die Gleiteigenschaften der Knet-Zinnbronzen sind also nur bei Einhaltung bestimmter Bedingungen gut.
Die günstigen mechanischen Eigenschaften, wie hohe Festigkeit und Härte, sind jedoch in vielen Fällen erwünscht, so dass die aufgezeigten Nachteile in Kauf genommen werden.
Die GJss1egierungen, wie die Zinnbleibronzen mit mittleren Zinn- und Bleigehalten, beispielsweise die Gjss-Zinnbleibronze 10 (G-SnPbBz 10 nach DIN 1716) oder Gjss-Zinnbleibronze 15 (G-SnPbBz 15 nach DIN 1716), zeigen hingegen, bedingt durch ihre heterogene Gefügeausbildung, im Gegensatz zu den erwähnten Knetlegierungen ein sehr günstiges Einlaufverhalten, Verkantungsunempnndlichkeit, Einbet- tungsfähigkeit und gute Notlaufeigenschaften. Diese Eigenschaften bringen es mit sich, dass durch eine geringfügige plastische Verformung, vor allem im Einlaufstadium, das Lager möglichst gleichmässig zum Tragen kommt, dass auch bei Wasserschmierung oder Schmiermittelmangel kein Fressen mit der Wellen-
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keine Riefen in der Welle verursachen.
Nachteilig gegenüber den Knet-Zinnbronzen wirken sich die niedrige Festigkeit dieser Gusslegierungen und die verhältnismässig grossen Materialzugaben bei der Bearbeitung aus, da es bisher nicht möglich war, solche oder ähnliche Legierungen anders als im Gusszustand einzusetzen.
Infolge der grossen Materialzugaben bei den gegossenen Gleitwerkstoffen ist eine aufwendige Bearbeitung nötig, um die gegossene Ausgangsform in die einbaufähige Endform des Gleitwerkstoffes zu überführen.
Ziel der Erfindung ist ein Gleitwerkstoff, der die Vorteile der Knet-und Gusslegierungen besitzt, ohne jedoch die Nachteile dieser Werkstofftypen aufzuweisen, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitwerkstoffes.
Es wurde nun gefunden, dass ein Gleitwerkstoffaus einer Zinnbleibronze mit 5-12% Sn, vorzugsweise 5, 5-8% Sn, 10-15% Pb, vorzugsweise 11-13% Pb, 0, 3-0, 8% P, vorzugsweise 0, 5-0, 7% P, Rest Kupfer, dessen gegossene Ausgangsform kaltverformt ist, die gewünschten Vorteile der Knet- und Guss- legierungen vereint.
Der erfindungsgemässe Gleitwerkstoff obiger Zusammensetzung wird zweckmässig so hergestellt, dass die Legierung aus 5-12% Sn, vorzugsweise 5, 5-8% Sn, 10-15% Pb, vorzugsweise 11-13% Pb, 0, 3-0, 8% P, vorzugsweise 0, 5-0, 7% P, Rest Kupfer, erschmolzen, vergossen, in maximal 60 sec, vorzugsweise in 1-25 sec, vom überhitzten, schmelzflüssigen Zustand mit etwa 12000 C auf etwa 400 C abgekühlt und anschliessend einer Kaltverformung unterworfen wird.
Bei der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt die Abkühlzeit 1-10 sec.
Das Einhalten der Abkühlzeit ist ein wesentlicher Verfahrensschritt, da nur bei einem möglichst schnellen und gleichmässigen Erstarren der Legierung das Kupferskelett trotz des eingelagerten Bleis hinsichtlich Festigkeit und Dehnung so ausgebildet wird, dass eine Kaltverformung überhaupt möglich ist. Unter
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üblichen Bedingungen gegossene Legierungen bzw. Formen obiger Zusammensetzung können einer Kaltverformung nicht unterworfen werden.
Der erfindungsgemässe Gleitwerkstoff besitzt einen für Zinn-Bleibronzen ungewöhnlich hohen Phosphorgehalt. Während bei reinen Zinnbronzen mit einem Zinngehalt bis zu 14% nach den Angaben der einschlägigen Literatur ein Phosphorgehalt von 0, 1 bis 1% einen Anstieg der Festigkeit und Härte ohne wesentliche Beeinflussung der Dehnung bewirkt und die Laufspiegelbildung und Ölaffinität verbessern soll, werden bei Zinn-Bleibronzen, insbesondere bei Gusslegierungen, Phosphorgehalt als schädlich angesehen, da hier der Phosphor die Entmischung und Segregatbildung verstärkt und eine Vergröberung des Gefüges, Porosität und eine ungleichmässige Bleiverteilung mit sich bringt.
Auf Grund dieser ungünstigen Begleiterscheinungen, die bereits bei Gehalten von über 0, 06% Phosphor auftreten, wird verlangt, dass der Phosphorgehalt weniger als 0, 1% betragen soll.
In den in- und ausländischen Normen wird daher bei Zinn und Blei enthaltenden Guss-Kupferlegie- rungen im allgemeinen ein Phosphorgehalt zwischen 0, 03 und 0, 1% vorgeschrieben.
Der nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Gleitwerkstoff mit dem extrem hohen Phosphorgehalt zeigt als Folge der schnellen Abkühlung und der anschliessenden Kaltverformung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und verbindet die hohe Festigkeit der als Knetlegierung bekannten binären Zinnbronzen mit den guten Gleiteigenschaften der gegossenen Zinn-Bleibronzen, wie aus der folgenden Gegenüberstellung zu sehen ist.
In der Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen der verglichenen Bronzen angegeben, während in Tabelle 2 die Werte der mechanischen Eigenschaften zusammengestellt sind.
Tabelle 1
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<tb>
<tb> Kurzbezeichnung <SEP> Nom <SEP> Sn <SEP> Pb <SEP> Ni <SEP> P <SEP> Zn <SEP> Cn
<tb> I
<tb> Knetlegierung
<tb> SnBz <SEP> 8 <SEP> DIN <SEP> 17662 <SEP> 7, <SEP> 5-9--0, <SEP> 4-Rest <SEP>
<tb> Gusslegierung
<tb> G-SnPbBz <SEP> 10 <SEP> DIN <SEP> 1716 <SEP> 9-11 <SEP> 8-11-1, <SEP> 5-0, <SEP> 05-1, <SEP> 0 <SEP> Rest
<tb> G-SnPbBz <SEP> 15 <SEP> DIN <SEP> 1716 <SEP> 7-9 <SEP> 13-17-2-0, <SEP> 05-3, <SEP> 0 <SEP> Rest
<tb> Erfindungsgemässer
<tb> Gleitwerkstoff <SEP> 6-7 <SEP> 12-13-0, <SEP> 5-0,
<SEP> 7-Rest <SEP>
<tb>
Tabelle 2
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<tb>
<tb> Kurzbezeichnung <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> % <SEP> Brinellhärte
<tb> kp/mm2 <SEP> kp/mm2 <SEP> kp/mm2
<tb> SnBz <SEP> 8##h <SEP> 28 <SEP> 40 <SEP> 20 <SEP> 100
<tb> G-SnPbBz <SEP> 10 <SEP> 12 <SEP> 23 <SEP> 14 <SEP> 65
<tb> G-SnPbBz <SEP> 15 <SEP> 11 <SEP> 22 <SEP> 12 <SEP> 60
<tb> Erfindungsgemässer <SEP> Gleitwerkstoff <SEP> 35 <SEP> 38 <SEP> 12 <SEP> 120
<tb>
Die für das erfindungsgemässe Verfahren geforderte schnelle Abkühlung der gegossenen Ausgangsform lässt sich durch jedem Fachmann geläufige Massnahmen und durch eine intensive Kühlung, z. B. beim Giessen in gekühlte Kokillen oder beim Strangguss, erreichen.
Der erfindungsgemässe Gleitwerkstoff besitzt nicht nur die bereits erwähnten Vorteile hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften. Durch die Kaltverformung der gegossenen Ausgangsform, die bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens eine Querschnittsverringerung von mindestens 50% erreichen soll, wird ein Halbzeug erhalten, das bereits eine weitgehende Annäherung an die endgültige Einbauform des Gleitwerkstoffes zeigt. Es ist daher möglich, mit ganz geringen Bearbeitungszugaben an Material auszukommen. Das bedeutet wieder, dass aus dem als Halbzeug vorliegenden er- findungsgemässen Gleitwerkstoff ohne aufwendige Bearbeitung leicht und einfach die für den Einbau erforderliche Endform hergestellt werden kann.
Durch die Kaltverformung werden die für die GussZinnbleibronze charakteristischen guten Eigenschaften, wie günstiges Einlaufverhalten, Verkantungsunempfindlichkeit, Einbettungsfähigkeit und gute Notlaufeigenschaften in keiner Weise nachträglich beeinflusst, sondern bleiben voll erhalten.