CH222585A

CH222585A - Process for the manufacture of machine parts exposed to sliding stress.

Info

Publication number: CH222585A
Authority: CH
Inventors: Aktiengesel Metallgesellschaft
Original assignee: Metallgesellschaft Ag
Priority date: 1939-11-04
Filing date: 1940-10-17
Publication date: 1942-07-31
Also published as: FR870514A; DE764789C; DK60340C

Description

  

  Verfahren zur Herstellung von gleitender Beanspruchung ausgesetzten     Maschinenteilen.       Für die Verwendung als Werkstoff in       Lagerschalen    und andern     Maschinenteilen,     die gleitender Reibung unterworfen sind,       wurden    bereits eine grosse Anzahl von Legie  rungen mit Zink als Hauptbestandteil vor  geschlagen. Diese Zinklegierungen enthalten  vorwiegend Blei, Zinn, Kupfer, Antimon,  Aluminium als Legierungsbestandteil. Es  sind auch eine Reihe von Legierungen be  kannt, die neben Zink nur Kupfer und Alu  minium als     Legierungsbestandteil    enthalten.  Alle diese Werkstoffe haben jedoch Kupfer  gehalte von mehr als 2 %,     während    der Alu  miniumgehalt im höchsten.

   Fall mit 6 % an  gegeben wird.  



  Weiterhin sind     Zinklegierungen    als Lager  werkstoff angegeben worden, die     0,5-3,%     Kupfer und     10-16%    Aluminium enthalten,  bei denen aber ein Gehalt von     5-30%    Blei  der für die günstigen     Laufeigenschaften    in der  Hauptsache verantwortlich gemachte Be  standteil ist. Ein schwerwiegender Nachteil    dieser Legierungen ist jedoch die Neigung  zu     interkristalliner    Korrosion, die durch  das gleichzeitige     Vorhandensein    von Alumi  nium und Blei     hervorgerufen    wird.  



  Es hat sich nun gezeigt, dass Maschinen  teile, die gleitender Beanspruchung ausge  setzt sind, insbesondere Lager, mit sehr gu  ten Laufeigenschaften hergestellt werden       können,    wenn man als Werkstoff für die  Gleitfläche eine Zinklegierung verwendet,  die<B>3</B>-<B>15;%</B> Al,     0,001-2%,    vorzugsweise  <B>0,3</B>=<B>1,5%</B>     Cu,        0,01-0"06%    Mg und als  Rest Feinzink mit weniger als je     01-01%    Zinn,  Blei und Kadmium enthält.

   Diese Legierun  gen, die zur Herstellung von     Presserzeugnis-          sen    wie Profile und dergleichen geeignet  sind,     unterscheiden    sich in ihren Zusammen  setzungen von den bisher als Lagerwerkstoff  bekannten Legierungen dadurch, dass sie  einen verhältnismässig hohen Aluminium  gehalt besitzen     neben    einem nur geringen  Kupfergehalt von vorzugsweise 0,3-1,5%,      der jedoch auch noch geringer sein kann,  und überdies noch Magnesium     enthalten.     Auch eine Erniedrigung des Aluminium  gehaltes bis herab zu<B>3%,</B> beispielsweise ein       Al-Gehalt    von     3,5-4,5%,    hat keinen un  günstigen Einfluss auf das Laufverhalten  der Legierungen.

   Hierbei wird der Kupfer  gehalt so gewählt, dass die     Legierung    eine       genügende    Festigkeit aufweist, anderseits  aber gegenüber den     bekannten    kupferhalti  gen     Zinklagerlegierungen    eine Ersparnis an  Kupfer bringt.  



  Die Legierungen unterscheiden sich von  den vorstehend genannten,     stark    bleihaltigen  Legierungen dadurch, dass, wie sich gezeigt  hat, auf das Sparmetall Blei ohne Vermin  derung der     Lagermetalleigenschaften    nicht  nur völlig verzichtet werden kann, sondern  dass bei diesen. bleifreien     Legierungen    ausser  dem die Gefahr     interkristalliner    Korrosion  nicht besteht und sie daher unbedenklich für  Lager verwendet werden können. Die Blei  freiheit soll sogar so weit gehen, dass für die  Legierung besonders reines Zink verwendet  wird, das weniger als je 0,01 % Blei, Zinn  und Kadmium enthält.  



  In der     Fig.    1 sind die Temperaturlast  kurven wiedergegeben, die sich beispiels  weise bei der Prüfung verschiedener Lager  werkstoffe auf einer Prüfmaschine mit       Gleichlastbeanspruchung    bei einer     Gleit-          geschwindigkeit    von 4,5     m/Sek.    ergeben  haben.

   Die Übertemperatur ist auf der Ordi  nate in   C in Abhängigkeit von der  auf der Abszisse dargestellten spezifischen  Belastung in     kg/em'        eingetragen    für Weiss  metall WM 80 F (Kurve 1), ein Lager auf  Aluminiumbasis (Kurve 2) und ein Zink  lager gemäss Erfindung folgender Zusam  mensetzung:<B>1070</B> Al,     0,57o        Cu,        0,03.7o    Mg,  Rest     Feinstzink    mit 99,9995 Zn (Kurve 3).

    Man erkennt, dass die Zinklegierung bei Be  lastungen bis 1.75     kgjcm'    sogar eine geringere  Übertemperatur zeigt als das Weissmetall  WM 80 F und der     Aluminiumlagerwerk-          stoff.    Auch als Austausch für Phosphor  bronzen sind die Legierungen brauchbar.    Als Beispiel für eine Legierung mit er  niedrigtem Aluminiumgehalt sei genannt  4     %    Aluminium  0,7     %    Kupfer  0,03     %        Magnesium     Rest     Feinstzink     Die Laufeigenschaften sind ähnlich denen  der Legierungen mit höherem Aluminium- ;       gehalt.     



  In     Fig.    2 sind die Ergebnisse von Lauf  versuchen dargestellt bei 6     mjSek.    Geschwin  digkeit. Aufgetragen ist auf der Ordinate  die     Lagerübertemperatur    in Abhängigkeit  von der auf der Abszisse     dargestellten    spezi  fischen Belastung. Zum Vergleich wurden       herangezogen    Lager aus Legierungen folgen  der Zusammensetzung:  Kurve 1. Zink plus<B>10%</B> Aluminium plus  1     %    Kupfer plus     0,0-3        %    Magnesium.  



  Kurve 2. Zink plus 4 % Aluminium plus  1     %    Kupfer plus 0,03 %     Magnesium.     



  Kurve 3. Zink plus 4 % Aluminium plus  <B>0,5%</B> Kupfer plus<B>0,03%</B> Magnesium.  



  Es wurden     ungehärtete    Wellen für die  Versuche verwendet.  



  Aus der     Fig.    2 ist zu entnehmen, dass in  den     Übertemperaturen    der drei Lager keine  wesentlichen Unterschiede bestehen, dass also  die Legierungen mit niedrigerem Aluminium  gehalt als Lagerwerkstoffe denjenigen mit  höherem Aluminiumgehalt nicht nachstehen.  



  Wenn diese     Legierungen,    auch mit Rück  sicht auf ihre hohen Festigkeitseigenschaf  ten als     Massivlager    ausgebildet sein können,  so handelt es sich doch in vielen Fällen  darum, Stützschalen zum Beispiel aus Stahl  mit den betreffenden     Legierungen    auszu  giessen. Zur gegenseitigen Befestigung von  Stützschale und     Lagerausguss    haben sich       Kadmium-Zinklegierungen,    die sowohl mit  der Stützschale als auch mit dem Lageraus  guss vortreffliche Bindung ergeben, als ge  eignet erwiesen. Die Zusammensetzung der  Lote kann in weiten     Grenzen    schwanken.

    Sie kann von der Zusammensetzung des       Eutektikums        (17%    Zink;     83%    Kadmium)  bis zum reinen Zink gehen. An Stelle der      binären     Kadmium-Zink-Lote    eignen sich auch  Legierungen mit 20-50     %    Kadmium und  einem oder mehreren der Metalle Eisen, Alu  minium und Kupfer in Höhe von je 0,1-2 %,  vorzugsweise insgesamt mehr als     0,5@%,     Rest Zink, beispielsweise     60'%    Zink,     38,5,%     Kadmium,     0-,4%    Eisen,     0,8,%    Aluminium,       0,3@%    Kupfer.  



  Schliesslich eignen sich auch die erfin  dungsgemässen Zinklegierungen selbst als  Verbindungsschicht. Unmittelbarer     Einguss     in die nicht mit     Lotmetall        überzogene    Stütz  schale führt nicht mit Sicherheit zu aus  reichender Bindung, während sieh über  raschenderweise gezeigt hat, dass eine solche  Bindung dann mit ausreichender Sicherheit  erreicht     wird,    wenn eine dünne Zwischen  schicht aus einer Zinklegierung verwendet  wird, deren Zusammensetzung durch die  für die erfindungsgemässen Zinklegierungen  mit     3r15    % Aluminium,     0,00,1-2    % Kupfer,       0,01-0,06%    Magnesium, Rest Zink angege  benen Bereiche gekennzeichnet ist.

   Gege  benenfalls kann die     Lotlegierung    überhaupt  identisch mit der Zusammensetzung des  Lagerausgusses gewählt werden. Das Ein  giessen des Lagerwerkstoffes kann auf ver  schiedene Weise erfolgen, z. B. durch  Giessen, Schleudern und Spritzen.  



  Da die Legierungen     pressbar    sind, ist man  bei der Herstellung der Lager nicht an den       Gusswerkstoff    gebunden,     sondern    man kann  die Lager durch     Knetbearbeitung    herstel  len, wobei man auch Stützschalen     anwenden     kann, in welchen der gegossene oder geknetete  Werkstoff mittels der bereits erwähnten Lote  befestigt werden kann. Es besteht ein Unter  schied, ob die Zinklegierungen als Guss- oder  Knetwerkstoffe für Lager verwendet wer  den.

   Nicht nur die mechanischen Eigenschaf  ten der Legierungen sind im gekneteten Zu  stand besser als im gegossenen, sondern  auch die     Laufeigenschaften    des     Knetmate-          rials    übertreffen diejenigen des     Gussmate-          rials.     



  In     Fig.    3 ist als Ordinate die Reibungs  zahl in Abhängigkeit von der auf der Ab-         szisse    dargestellten spezifischen Belastung  eingezeichnet für eine Legierung mit  10 % Aluminium  0,7 % Kupfer  0,03 % Magnesium  Rest     Feinzink     Das Feld I gibt den Bereich der bei  geknetetem Werkstoffaus Versuchen mit zwei  Lagern erhaltenen Reibungswerte an, Feld     II     die entsprechenden Werte aus     gegossenen:    La  gern.

   Die Versuche wurden bei einer     Gleit-          geschwindigkeit    von 0,1     m/Sek.    durchge  führt, da bei dieser Geschwindigkeit eher  mit teilweise metallischer Berührung ge  rechnet werden kann, so dass speziell die       Gleiteigenschaften    der     verwendeten:    Werk  stoffe hier besonders gut zutage treten. Die       Überlegenheit    der     gekneteten:    Werkstoffe  sowohl in der Belastbarkeit als auch in der       Gleitfähigkeit    ist deutlich ersichtlich. Eine  ähnliche Verbesserung wird auch bei den  im übrigen gleichen Legierungen mit nur  beispielsweise 4 % Aluminium erreicht.  



  Die Versuche wurden gegen Wellen aus       ungehärtetem    Stahl durchgeführt..  



  Die Überlegenheit des Knetmaterials ge  genüber dem     Gussmaterial    bleibt auch bei  Verwendung von gehärtetem Wellenmaterial  bestehen.



  Process for the manufacture of machine parts exposed to sliding stress. For use as a material in bearing shells and other machine parts that are subject to sliding friction, a large number of alloys with zinc as the main component have already been proposed. These zinc alloys mainly contain lead, tin, copper, antimony and aluminum as alloy components. There are also a number of alloys known that contain only copper and aluminum as an alloy component in addition to zinc. However, all of these materials have copper contents of more than 2%, while the highest aluminum content.

   Case with 6% is given.



  Furthermore, zinc alloys have been specified as a bearing material, which contain 0.5-3,% copper and 10-16% aluminum, but in which a content of 5-30% lead is the main component made responsible for the favorable running properties . However, a serious disadvantage of these alloys is the tendency to intergranular corrosion, which is caused by the simultaneous presence of aluminum and lead.



  It has now been shown that machine parts that are exposed to sliding stress, especially bearings, can be produced with very good running properties if a zinc alloy is used as the material for the sliding surface, which <B> 3 </B> - <B> 15;% </B> Al, 0.001-2%, preferably <B> 0.3 </B> = <B> 1.5% </B> Cu, 0.01-0 "06% Mg and the remainder fine zinc with less than 01-01% tin, lead and cadmium each.

   These alloys, which are suitable for the production of pressed products such as profiles and the like, differ in their composition from the alloys previously known as bearing material in that they have a relatively high aluminum content in addition to a low copper content of preferably 0, 3-1.5%, which can be even less, and also contain magnesium. A reduction in the aluminum content down to <B> 3%, </B> for example an Al content of 3.5-4.5%, has no unfavorable influence on the running behavior of the alloys.

   Here, the copper content is chosen so that the alloy has sufficient strength, but on the other hand it saves copper compared to the known copper-containing zinc bearing alloys.



  The alloys differ from the above-mentioned alloys with a high lead content in that, as has been shown, not only can the sparing metal lead be completely dispensed with without reducing the bearing metal properties, but also with these. lead-free alloys besides which there is no danger of intergranular corrosion and they can therefore be used safely for bearings. The freedom from lead should even go so far that particularly pure zinc is used for the alloy, which contains less than 0.01% each of lead, tin and cadmium.



  In Fig. 1, the temperature load curves are shown, for example, when testing different bearing materials on a testing machine with uniform load at a sliding speed of 4.5 m / sec. have revealed.

   The excess temperature is entered on the ordinate in C depending on the specific load shown on the abscissa in kg / em 'for white metal WM 80 F (curve 1), an aluminum-based bearing (curve 2) and a zinc bearing according to the invention The following composition: <B> 1070 </B> Al, 0.57o Cu, 0.03.7o Mg, remainder fine zinc with 99.9995 Zn (curve 3).

    It can be seen that the zinc alloy even shows a lower excess temperature at loads of up to 1.75 kgjcm 'than the white metal WM 80 F and the aluminum bearing material. The alloys can also be used as a substitute for phosphor bronze. As an example of an alloy with a low aluminum content, 4% aluminum 0.7% copper 0.03% magnesium balance fine zinc The running properties are similar to those of alloys with a higher aluminum content; salary.



  In Fig. 2 the results of running attempts are shown at 6 msec. Speed. The bearing excess temperature is plotted on the ordinate as a function of the specific load shown on the abscissa. Bearings made of alloys were used for comparison, following the composition: Curve 1. Zinc plus <B> 10% </B> aluminum plus 1% copper plus 0.0-3% magnesium.



  Curve 2. Zinc plus 4% aluminum plus 1% copper plus 0.03% magnesium.



  Curve 3. Zinc plus 4% aluminum plus <B> 0.5% </B> copper plus <B> 0.03% </B> magnesium.



  Unhardened shafts were used for the tests.



  From FIG. 2 it can be seen that there are no significant differences in the excess temperatures of the three bearings, that is to say that the alloys with a lower aluminum content than bearing materials are not inferior to those with a higher aluminum content.



  If these alloys can be designed as solid bearings, also with regard to their high strength properties, then in many cases it is a question of casting support shells, for example made of steel, with the alloys in question. Cadmium-zinc alloys, which produce an excellent bond with both the support shell and the bearing spout, have proven to be suitable for the mutual attachment of the support shell and the bearing spout. The composition of the solders can vary within wide limits.

    It can range from the composition of the eutectic (17% zinc; 83% cadmium) to pure zinc. Instead of the binary cadmium-zinc solders, alloys with 20-50% cadmium and one or more of the metals iron, aluminum and copper in the amount of 0.1-2% each, preferably a total of more than 0.5 @, are also suitable %, The remainder zinc, for example 60% zinc, 38.5% cadmium, 0.4% iron, 0.8% aluminum, 0.3% copper.



  Finally, the zinc alloys according to the invention are also suitable as a connecting layer themselves. Immediate pouring into the support shell not coated with solder does not definitely lead to sufficient bonding, while surprisingly it has been shown that such bonding is achieved with sufficient security if a thin intermediate layer of a zinc alloy is used, whose composition is characterized by the ranges indicated for the zinc alloys according to the invention with 3-15% aluminum, 0.00.1-2% copper, 0.01-0.06% magnesium, the remainder zinc.

   If necessary, the solder alloy can be chosen to be identical to the composition of the bearing spout. The pouring of the bearing material can be done in different ways, for. B. by pouring, spinning and spraying.



  Since the alloys can be pressed, one is not bound to the cast material in the manufacture of the bearings, but the bearings can herstel len by kneading, whereby one can also use support shells in which the cast or kneaded material are attached by means of the aforementioned solders can. There is a difference whether the zinc alloys are used as cast or wrought materials for bearings.

   Not only are the mechanical properties of the alloys better in the kneaded state than in the cast, but the running properties of the wrought material also exceed those of the cast material.



  In FIG. 3, the ordinate shows the coefficient of friction as a function of the specific load shown on the abscissa for an alloy with 10% aluminum, 0.7% copper, 0.03% magnesium, the remainder of fine zinc. Field I indicates the range of kneaded material from experiments with two bearings, field II the corresponding values from cast: bearings.

   The tests were carried out at a sliding speed of 0.1 m / sec. carried out, because at this speed, metallic contact can be expected, so that the sliding properties of the materials used are particularly evident here. The superiority of the kneaded: materials both in terms of resilience and sliding properties is clearly evident. A similar improvement is also achieved with the otherwise identical alloys with only, for example, 4% aluminum.



  The tests were carried out against shafts made of unhardened steel.



  The superiority of the kneading material compared to the cast material is retained even when using hardened shaft material.

Claims

PATENT CLAIM: Process for the production of machine parts exposed to sliding stress, in particular bearings, characterized in that a zinc alloy is used as the material for the sliding surface, which contains 3-15% Al, 0.001-2% Cu, 0.01 to 0 .06% Mg and the remainder fine zinc with less than 0.01% each of Sn, Pb and Cd. SUBClaims 1. A method according to claim, characterized in that support shells are poured with the zinc alloy. 2.

Method according to patent claim, characterized in that the zinc alloy is used in the cast state. 3. The method according to claim, characterized in that the zinc alloy is used in a kneaded state. 4. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that a binary cadmium-zinc solder with a composition between eutectic and pure zinc is used for fastening the zinc alloy in support shells. 5.

Method according to patent claim and dependent claim 3, characterized in that a binary cadmium-zinc solder with a composition between eutectic and pure zinc is used to fasten the zinc alloy in support shells. 6. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that a zinc alloy with the composition specified in the claim is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 7th

Method according to patent claim and dependent claim 3, characterized in that a zinc alloy with the composition specified in the patent claim is used as solder for fastening the zinc alloy in support shells. B. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that a zinc alloy of the same composition as the zinc alloy to be fastened is used as solder for fastening the zinc alloy in support shells. 9.

Method according to patent claim and dependent claim 3, characterized in that a zinc alloy of the same composition as the zinc alloy to be fastened is used as solder for fastening the zinc alloy in support shells. 1.0. Method according to patent claim and dependent claim 2, characterized. that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Fe, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 11. The method according to claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Fe, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 12.

Method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Al, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 13. The method according to claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2e Al, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells.

14. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20 \ 50A Cd, 0.1-2% Cu, remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 15. The method according to claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Cu, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 16.

Method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of Fe and Al, the remainder Zn, is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 17. The method according to claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of Fe and Al, the remainder Zn, is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 18th

Method according to patent claim and dependent claims 2 and 16, characterized in that an alloy with 20 = 50% Cd, 0.1-2% Fe and A1 each is used for fastening the zinc alloy in support shells as a solder so that the total amount of Fe and Al make up at least 0.5% , the remainder being Zn. 19th

Method according to patent claim and dependent claims 3 and 17, characterized in that for fastening the zinc alloy in support shells: as solder an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Fe and A1 each in such a way that the Total amount of Fe and 11.1 is at least 0.5%, the remainder being Zn used. 20. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0a1-2% Fe and Cu, remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 21st

Method according to patent claim and dependent claim 3; characterized in that an alloy with f0 = 50% Cd, 0.1-2% each of Fe and Cu, the remainder Zn, is used as solder for fastening the zinc alloy in support shells. 22. The method according to claim and dependent claims 2 and 20, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% Fe and Cu each is used for fastening the zinc alloy in support shells as a solder such that @ the total amount of Fe and Cu is at least 0.5%, the remainder being Zn. 23.

Method according to patent claim and dependent claims 3 and 2-1, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1 = 2% Fe and Cu each is used for fastening the zinc alloy in support shells as solder in such a way that the Total amount of Fe and Cu is at least 0.5%, the remainder being Zn. 24. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of A1 and Cu, the remainder Zn, is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 25th

Method according to patent claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of A1 and Cu, the remainder Zn, is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 26. The method according to claim and dependent claims: 2 and 24, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2.% Al and Cu each, is used for fastening the zinc alloy in supporting shells as solder that the total amount of A1 and Cu is at least 0.5%, the remainder being Zn. 27.

Method according to patent claim and dependent claims 3 and 25, characterized in that an alloy with 20 = 50% Cd, 0 'each, 1-2% Al and Cu is used for fastening the zinc alloy in support shells as a solder so that the total amount of A1 and Cu make up at least 0.5%, the remainder being Zn. 28. The method according to claim and dependent claim 2, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0-, 1-2% Fe, A1 and Cu, the remainder Zn is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells. 29

Method according to claim and dependent claim 3, characterized in that an alloy with 20 = 50% Cd, 0.1-2;% Fe, A1 and Cu, remainder Zn, is used as solder for fastening the zinc alloy in supporting shells. 30. The method according to claim and dependent claims 2 and 2-8, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of Fe, Al and Cu is used for fastening the zinc alloy in support shells as a solder such that the total amount of Fe, A1 and Cu is at least 0 "-%, the remainder being Zn used. 31.

Method according to claim and dependent claims 3 and 29, characterized in that an alloy with 20-50% Cd, 0.1-2% each of Fe, Al and Cu is used as a solder for fastening the zinc alloy in support shells such that the total amount of Fe, Al and Cu is at least 0.5% , the remainder being Zn.