CN1196870C - 铜－锌－铝塑性材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜-锌-铝塑性材料，其组成为：63.5-66.5%的铜；2.0-5.4%的铝；4.1-4.9%的锰；2.6-3.4%的铁；1.1-1.9%的镍；其余的锌和通常的杂质。该材料具有高度耐应力张弛性和小的蠕变特性，因此宜适用于制造轴套，特别是内燃发动机的连杆和活塞。

Description

铜-锌-铝塑性材料及其应用
技术领域
本发明涉及一种铜-锌-铝塑性材料及其在制造轴套，特别是内燃发动机中的连杆和活塞时作为轴承材料的应用。
背景技术
对于优良的滑动轴承材料来说，当在发动机领域等使用时，除去优良的滑动特性、耐磨性和优良的耐腐蚀性外，还要求高的可负载性、高的动态和静态耐用性和在使用温度范围内的足够的耐热性。
为改进发动机效率而将点火压力提高导致轴套的较高的负载。在约250℃的使用温度范围下，点火压力可达200bar或更高，或轴套的单位面积负载达150MPa。活塞套筒的典型运行温度为180-200℃。
由通常的双金属作的轴套如钢-复合-轴套或Pb-复合-轴套可承受的单位面积负载仅为130MPa。相反，由塑性合金CuZn31Si1(DIN17.660)和CuAl10Ni5Fe4(DIN 17.665)实体轴套能承受更高的压力。塑性合金在用于薄壁轴套时，由于其细粒结构与同样化学组成的浇铸合金相比表现出更高的动态可负载性。
此外，由一种合金制成的轴套在其应用时不可从其支座中脱出，必须具有优良的蠕变特性。因此，实体轴套以余量装配，例如在发动机轴座中的使轴套以压紧就位，以致经过较长时间的温度负载都不会在其支座中松脱，即其余量未失去。该轴套的蠕变特性由于在塑性变形中与温度和时间有关的弹性变形转化而与材料的应力张弛特性相关联。通过松弛有小的应力损耗的材料比由于张弛有较大应力损耗的材料有更好的蠕变特性。(“应力张弛”的概念可参阅DE-OS 19600864)。
目前，轴套通常由塑性材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1制造。由CuAl10Ni5Fe4制造的轴套在高的机械强度下有非常好的蠕变特性，因此适于长期的最高负载。其缺点是多元-铝-铜材料在连续的铸锭法中难以浇铸，并且在接着的加工步骤挤压中难以热变形。与由特种黄铜制造轴套的加工相比，上述两点引起高的加工价格。此外，由多元铝铜制成的轴套比由特种黄铜合金制成的轴套有更高的摩擦系数和较差的耐油性，比CuZn31Si1明显地差。
在较低的机械强度的同时，由塑性特种黄铜合金CuZn31Si1制成的轴套由于其比较强的应力张弛倾向，其蠕变较强，所以仅适于较小的发动机负载。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种铜材料，读材料具有特别适于上述应用目的特性组合，同时兼有至今使用的材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1的优点。这种新的特别适于轴套的材料与CuZn31Si1型的塑性特种黄铜相比应具有较小的应力张弛倾向、较小的蠕变特性和较高的强度，同时与CuAl10Ni5Fe4型的多元铝铜相比应具有较好的可切削加工性以及对半成品加工有较好的可铸性和热加工性。此外，由这类材料制成的轴套比由塑性多元铝铜制成的轴套在加工价格上更合适。
本发明的任务是通过铜-锌-铝-塑性材料解决的，读材料由63.5％-66.5％的铜、2.0-5.4％的铝、4.1-4.9％的锰、2.6-3.4％的铁、1.1-1.9％的镍、其余为锌和通常的杂质所组成(百分数均为重量百分数)。
第一方面的任务，即研制一种与多元铝铜材料相比有更好的可浇铸性及易于热加工和冷加工的轴套材料，该材料有符合任务要求的较好的可切削加工性及耐油腐蚀性，该方面的任务是通过本发明的材料解决的；本发明材料的熔点为960℃，它比多元铝铜材料的熔点低，这样在较低的温度下熔化及接着在较低温度下浇铸就可节省能量。连续铸锭的可控性是由高含量的锌来保证的。本发明材料在可浇铸性方面与通常的易控制的特种黄铜材料相似。
由于本发明材料的较小的耐热性，所以与多相铝铜材料相比在约100-150℃的较低压制温度下可被压塑。因此，可节省热压制前面的铸锭炉的加热能量。
第二方面任务，即研制一种与塑性特种黄铜CuZn31Si1相比有改进的应力张弛性能并由此有较小的蠕变特性的轴套材料，该方面任务同样是以本发明的塑性材料实现的。
尽管已知有类似组成的浇铸合金( CuZn 25 A 115 Mn 4 Fe 3 - C / EN 1982 = ^ CuZn 25 A 15 (旧 DIN 1709))，但与此相比存在有目的的选择。意外的表明，合适选择用于浇铸材料的组分，可在热态和冷态下进行塑形加工，并可满足对合金材料特别高的要求。此外，本发明的塑性材料与已知的浇铸材料相比，有较好的蠕变特性。
在本发明的铜-锌-铝-塑性材料的一个实施方案，该塑性材料的组成以重量百分比计为：65.5-66.5％的铜；3.1-5.4％的铝；4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；1.1-1.9％的镍；其余的锌和通常的杂质。
在本发明的铜-锌-铝-塑性材料的另一个实施方案，该塑性材料的组成以重量百分比计为：65.6-66.5％的铜；3.1-3.9％的铝；4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；1.1-1.9％的镍；其余为锌和通常的杂质。
在本发明的铜-锌-铝-塑性材料的又一个实施方案，该塑性材料的组成以重量百分比计为：66.5-66.0％的铜；3.1-3.9％的铝；4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；1.4-1.6％的镍；其余为锌和通常的杂质。
基于所描述的优点，优选应用本发明的铜-塑性材料作为制造轴套，特别是内燃发动机中的连杆和活塞的合金材料。
附图说明
图给出本发明材料和两种对比材料的剩余余量的比(200℃下500小时后的剩余余量/室温下的起始余量)与应力张弛的关系。
具体实施方式
下面以实施例对本发明进行详述：
表1中给出本发明的两种铜-塑性材料(1、2)的组成
表1
试样的组成(数据以重量％表示)
  试样号   Cu  Zn  Al  Mn  Fe  Ni
  1   66  20  5  4.5  3  1.5
  2   65.7  22  3.3  4.5  3  1.5
实施例中将试样1的铜合金(表1)在圆柱体锭模中浇铸成直径为154mm、长280mm的圆形螺杆。在工艺过程中，采用有与炉无关的锭模的连续或半连续铸锭技术。
该液相温度为960℃，比已知的用于轴套的多元铝铜材料CuAl10Ni5Fe4的液相温度低97℃。由此，在工艺过程中就可在比用多元铝铜材料更低的温度下运行熔化炉，保温炉或浇铸炉，并且与熔化-浇铸-工艺相比节省了能量。由于较小的熔化温度和与组分相关的较低的铝含量和镍含量以及高的锌含量，熔体吸收氢比在多元铝铜材料情况下要小。因此，在凝固时几乎不形成孔。在较高铝含量的多元铝铜材料连续或半连续浇铸中，经常有非常多有皱纹的和粗糙的含氧化铝和含氧化锰的并由锭模复盖熔剂夹杂物沾污的铸件屑皮，在采用本实施例的合金组分时会显示很平滑和无缺陷。
将本发明组成的280mm长的浇铸螺杆进行粗切削以去除铸件屑皮，并且直接有效的压制机在720-770℃的螺杆温度下压制成内径为40mm和外径为47mm(＝40×47mm)以及内径为22mm和外径为33mm(＝22×33mm)的压制管。其压制温度比用多元铝铜材料压制时要低约130-150℃。
本发明组成的40×47mm的压制管的特性如下：弹性限度Rp0.2为437-510MPa、最大抗拉强度Rm为773-817MPa、断裂延伸率A5为15-20.9％、硬度HB 2.5/62.5为197-201(214-221 HV10)，这些特性是意外的非常高。其冷加工有非常好的可锻性。对于22×33mm的小尺寸压制管，其弹性限度为369-412MPa、抗拉强度为746-788MPa、断裂延伸率A5为22.5-25.8％、硬度HB 2.5/62.5为185-194(201-213 HV10)。用在实验室制成的带材同时完成张弛测定。在800℃热轧制的带材的机械参数如下：Rp0.2为408MPa、最大的抗拉强度为746MPa、断裂延伸率A5为20.4％、硬度HB为197或HV为218，这些值与压制管相当。由此，为了比较，在这两种情况下，采用通常用于制轴套的特种黄铜合金CuZn31Si1以同样热轧制成的带试样的机械特性如下：弹性限度Pp0.2仅为141MPa、抗拉强度为419MPa、硬度HV10为96，这些在热加工后的制造阶段的性能明显地被本发明超过。
本实施例的压制管的结构特征是其针形结构含40-75％β-相。
在进一步加工成尺寸精确的轴套中，压制管被空心拉制成外径45mm、壁厚3.5 mm(45×3.5mm)或31×5.5mm，接着在300℃下经1小时的热消除应力。由此，对较大管尺寸的情况，其弹性限度Rp0.2为532-619MPa、最大抗拉强度Rm为795-892MPa、断裂延伸率A5为12-17.9％、硬度HB 2.5/62.5为211-233或HV10为241-261。对较小的轴套尺寸情况，其弹性限度为558-621MPa(带芯棒拉伸甚至为642-672MPa)、最大抗拉强度为806-824(带芯棒拉伸甚至为833-848MPa)、断裂延伸率A5为15-17.7％(带芯棒拉伸为15.7-16)、硬度HB为211-225(带芯棒拉伸为214-218)或HV10为211-249(带芯棒拉伸为246-248)。
在消除应力状态下，其结构含20-70％β-相。
表2
试样号 Rp0.2(MPa) Rm(MPa) A5(％) 硬度HB2,5/62,5 比重g/cm3 平均热膨胀系数(20-300℃) 200℃/100h后的应力张弛(％) 500h/200℃后的蠕变特性(20℃下的初始重叠)(μm)
1 550-770 790-880 10-18 211-233 7,78 20,3-20,6 36,4 12-26(72)
2 385-450 545-650 31-33 149-169 7.89 20,2 24,6 35
CuZn31Si1*)(DIN 17660；Nr.2.0490) 550 610 18 175 8,41 19,2 51 7-12(75)
CuAl10Ni5Fe4*)(DIN 17665；Nr.2.0966) 530 770 19 209 7,58 16,6 22,7 45-55(80)
CuZn25A15*)(DIN 1709) 480 750 5-8 190 8,2 21 无数据 无数据
CuZn25Al5(浇铸试样) - - - - - - - -20
*)机械特性：文献值
在表2中比较了本发明的塑性材料(试样1和2)和已知作为合金的塑性材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1以及浇铸材料CuZn25Al5(旧DIN 1709)的机械特性。(对比材料的数据取自文献。为研究蠕变特性，还制备标准组成 CuZn 25 A 15 = ^ CuZn 25 A 15 Mn 4 Fe 3 - C / EN 1982 的浇铸试样)。因此，在制造过程中以描述的本发明材料的实施例试样1的强度明显地超过由CuZn31Si1和CuAl10Ni5Fe4塑制成的适合作为轴套的管材的强度参数，但同时意外地具有相同的延伸性，其断裂延伸率A5为10-18％。由按旧标准DIN 1709的标准浇铸合金制成的管材同样达不到这种强度，并且其延伸性明显地低于本发明的塑性合金和CuZn31Si1。此外，实施例1的本发明的合金，在相同的强度时，在塑制状态中其延伸性明显超过浇铸合金的延伸性。
在使用温度和给定的起始检验应力下长时间后的轧制带材的应力张弛性能可用以说明在余量下的温度负载下收缩的轴套的蠕变特性的倾向。表2中给出由试样1和2的本发明的材料制成的带材在100h/200℃后的应力损耗，并与由CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1材料的比较(测量方法描述于DE-OS 19600864)。由此，多元铝铜材料的最小起始应力的张弛为23％，本发明的材料意外的有类似的值，其值为36.4％(试样1)或24％(试样2)，这些值明显比CuZn31Si1的张弛值51％的要小。与试样1相比，有较小Al含量(3.3重量％)的试样2具有本发明材料的最低的应力张弛。
蠕变特性在由所描述的拉伸和消除应力的管材经切削和研磨制成的尺寸为25.2×29.5×23mm或39×43.8×30mm的轴套来确定。为此，该轴套在55-125μm的余量下，在相应活塞销座的套管中收缩，并在200℃退火500小时。
试验后，再将该经热和机械负载的轴套从套管中压出，并进行重新测量。基于在热机械承载下发生的塑性变形，该余量比轴套收缩前要小。所谓的蠕变特性通过剩余余量来描述。对于多元铝铜制的轴套，该剩余余量以最大亏缺，其蠕变特性也是最差。例如，对于由CuAl10Ni5Fe4制成的较大的轴套，其起始余量为125μm，剩余余量还有55-75μm，对于CuZn31Si1材料，其剩余余量为0-16μm，具有最差的塑性材料的蠕变特性。
由组成为CuZn25Al5的材料的浇铸合金切削制成的轴套在铜环的蠕变试验中滑动，试验结束后，其剩余余量为负值，即-20μm。
图给出本发明材料和两种对比材料的剩余余量的比(200℃下500小时后的剩余余量/室温下的起始余量)与应力张弛的关系。
在180℃下100小时的耐油腐蚀的试验中，本发明材料的腐蚀深度比多元铝铜材料腐蚀深度明显地小2μm。一部分值小4μm-6μm。
作为切削材料的已知的CuZn39Pb3的可切削加工性约为30％，它比多元铝铜材料的20％更有利。
由本发明材料制成的轴套的比重仅为7.78g/cm3，明显地比由特种黄铜合金CuZn31Si1制成的轴套的比重8.4g/cm3要轻，并且与由通常的多元铝铜材料制成的轴套的比重7.56g/cm3相当。
机械特性即强度、张弛特性和蠕变特性都优于塑性合金CuZn31Si1。按旧标准DIN 1709的CuZn25Al5型的浇铸合金未达到本发明组成材料的延伸性，因此不能通过热变形(锻造)和冷变形(锻造)进行加工。

Claims (6)

1.一种高度耐应力张弛和有小的蠕变特性的铜-锌-铝-塑性材料，其特征在于，其组成以重量百分比计为：
63.5-66.5％的铜；2.0-5.4％的铝；
4.1-4.9％的锰；2.6-3.4％的铁；
1.1-1.9％的镍；其余为锌和通常的杂质。
2.权利要求1的铜-锌-铝-塑性材料，其特征在于，其组成以重量百分比计为：
65.5-66.5％的铜；3.1-5.4％的铝；
4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；
1.1-1.9％的镍；其余的锌和通常的杂质。
3.权利要求1或2的铜-锌-铝-塑性材料，其特征在于，其组成以重量百分比计为：
6 5.6-66.5％的铜；3.1-3.9％的铝；
4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；
1.1-1.9％的镍；其余为锌和通常的杂质。
4.权利要求1或2的铜-锌-铝-塑性材料，其特征在于，其组成以重量百分比计为：
66.5-66.0％的铜；3.1-3.9％的铝；
4.1-4.7％的锰；2.6-3.4％的铁；
1.4-1.6％的镍；其余为锌和通常的杂质。
5.权利要求1-4中之一的铜-锌-铝-塑性材料在制造轴套时作为轴承材料的应用。
6.权利要求5的应用，其中轴套用于内燃发动机的连杆和活塞。
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