DE112018001576T5

DE112018001576T5 - Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung und mechanische Vorrichtung, die sie verwendet

Info

Publication number: DE112018001576T5
Application number: DE112018001576.9T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Yamane; Hayao Eguchi; Masato Arai; Yuta Arai; Mutsuki Ishijima; Hideharu Ito; Yoshihito Ogasawara; Shintaro Fujii; Genjiro Hagino
Original assignee: Miyoshi Gokin Kogyo Co Ltd; IHI Corp
Current assignee: Miyoshi Gokin Kogyo Co Ltd; IHI Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US20190390302A1; CN110446795A; US11473172B2; JPWO2018174259A1; JP6803457B2; WO2018174259A1; CN110446795B

Abstract

Eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung enthält in Massen-% 28 bis 55 % Zn, 0,5 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet. Alternativ enthält eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 40 bis 55 % Zn, 1 bis 6 % Mn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Kupfer-Zink-Legierungen, die eine exzellente Verschleißfestigkeit aufweisen, und bezieht sich insbesondere auf eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung, die eine Verschleißfestigkeit aufweist, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
[Technischer Hintergrund]
Kupfer-Zink-Legierungen wie z. B. Messinglegierungen, die Kupferlegierungen, die Zn enthalten, sind, weisen eine exzellente elektrische Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit auf. Deshalb werden Kupfer-Zink-Legierungen für verschiedene Teile in elektronischen Produkten verwendet. Unter derartigen Kupfer-Zink-Legierungen sind bekannte partikeldispergierte Kupfer-Zink-Legierungen, in denen verschleißfeste Partikel in der Matrixphase dispergiert werden, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern, insbesondere fokussiert auf ihre mechanischen Eigenschaften.
Patentliteratur 1 offenbart eine partikeldispergierte Messinglegierung als eine Kupfer-Zink-Legierung, die für dynamische Drucklagerhülsen und Kupplungsscheiben in Festplattenlaufwerken verwendet wird, in der harte Partikel, die aus Verbindungen, die aus Ti und/oder Si und Eisengruppenmetallen wie z. B. Fe, Ni und Co gebildet sind, als verschleißfeste Partikel in einem Messingbasismaterial dispergiert sind. Patentliteratur 1 besagt, dass eine Dispersion harter Partikel die Verschleißfestigkeit verbessern kann, dass jedoch zu viele harte Partikel aggressive Eigenschaften gegen das Kupplungselement erhöhen.
Obwohl die Dispersion harter Partikel das Fortschreiten eines Verschleißes an der Gleitfläche unterbindet, würden dann, wenn einige der harten Partikel von der Gleitfläche abfallen und zwischen den Gleitflächen hängen bleiben, schwerwiegende Beschädigungen nicht nur am Kupplungselement, sondern auch am Gleitelement selbst verursacht werden. Um dieses Problem zu adressieren, werden außerdem Kupfer-Zink-Legierungen wie z. B. hochfestes Messing vorgeschlagen, die eine exzellente Verschleißfestigkeit aufweisen, ohne eine Dispersion harter Partikel zu umfassen, wobei Al und Legierungselemente wie z. B. Fe und Mn zugegeben werden, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Patentliteratur 2 offenbart ein hochfestes Messing auf der Grundlage einer Komponentenzusammenfassung, die 0,2 bis 3 Gew.-% Al und 15 bis 50 Gew.-% Zn enthält und außerdem 0,1 bis 3 Gew.-% Si und/oder 0,1 bis 5 Gew.-% Mn enthält.
Patentliteratur 3 offenbart eine Kupfer-Zink-Legierung, die zusätzlich zu Zink 0,5 bis 20 Gew.-% oder mehr Sn als das dritte Element enthält, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Patentliteratur 3 besagt, dass eine Lösungsbehandlung, um einen übersättigten Mischkristall, der Sn in einer Kupfer-Zink-Legierungsbasis enthält, zu bilden, ermöglicht, Kupfer-Zink-Legierungen zu schaffen, die eine hohe Festigkeit, die aus einer Mischkristallverstärkung resultiert, besitzen und eine exzellente Verschleißfestigkeit aufweisen.
[Entgegenhaltungsliste]
[Patentliteratur]

[PTL 1] Japanische Patentoffenbarungsschrift Nr. 2002-349573
[PTL 2] Japanisches Patent Nr. 4100583
[PTL 3] Japanische Patentoffenbarungsschrift Nr. 2003-268514

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Es existieren bekannte partikeldispergierte verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierungen, in denen harte Partikel, die aus intermetallischen Verbindungen von Si und dergleichen und Oxiden wie z. B. Aluminiumoxid gebildet sind, in der Matrixphase als verschleißfeste Partikel dispergiert werden, und mischkristallstärkende, verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierungen, die einen Mischkristall bilden, der in der Matrixphase ein drittes Element enthält. Für erstere Legierungen verursachen abgefallene harte Partikel schwerwiegende Beschädigungen, was bedeutet, dass erstere Legierungen nicht ausreichend Stabilität gegen Änderungen an der Gleitfläche besitzen. Deshalb können insbesondere für Anwendungen, in denen Stöße aufgebracht werden können, mischkristallstärkende, verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierungen wie die letzteren Legierungen verwendet werden.
Allerdings wird für mischkristallstärkende, verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierungen zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes eine Oxidschicht auf einer neuen Oberfläche gebildet, jedoch kann das Fortschreiten des Verschleißes eine Beschädigung der Gleitfläche aufgrund eines Angreifens eines Teils der Oxidschicht, der von der Gleitfläche abgefallen ist, verursachen, was zu einem übermäßigen Fortschreiten des Verschleißes führt.
Die vorliegende Offenbarung wurde angesichts der oben genannten Situation vorgenommen und eine ihrer Aufgaben ist, eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung zu schaffen, die eine Verschleißfestigkeit aufweist, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
[Lösung des Problems]
Eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält in Massen-% 28 bis 55 % Zn, 0,5 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ferner in Massen-% 3 % oder weniger Mn und/oder 2 % oder weniger Sn enthalten.
In der oben genannten Offenbarung kann der durchschnittliche Durchmesser intermetallischer Verbundpartikel 5 um oder weniger betragen.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 30 bis 33 % Zn, 0,9 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer,-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1,4 bis 2 % MN, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 51 bis 55 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 0,8 bis 1,1 % MN, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält.
Zusätzlich kann eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß der vorliegenden Offenbarung in Massen-% 40 bis 55 % Zn, 1 bis 6 % Mn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ferner in Massen-% weniger als 0,5 % P und/oder 2 % oder weniger Sn enthalten.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 1,4 bis 2 % Mn, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ein geschmiedetes Material sein.
Zusätzlich enthält eine mechanische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Gleitelement, das aus der oben beschriebenen verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung gebildet ist und konfiguriert ist, auf einem Gleitaufnahmeelement zu gleiten.
In der oben genannten Offenbarung kann das Gleitaufnahmeelement eine Verbindungswelle sein und das Gleitelement kann ein Radiallager und/oder ein Drucklager sein, wobei die Verbindungswelle und das Radiallager und/oder das Drucklager in einem Turbolader enthalten sind.
Die Konfiguration in der vorliegen Offenbarung ermöglicht, eine Verschleißfestigkeit aufzuweisen, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das Messergebnisse der Komponentenzusammensetzung, der Härte, der elektrischen Leitfähigkeit und des spezifischen Verschleißbetrags verschleißfester Kupfer-Zink-Legierungen von Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Zn-Gehalt und der Härte eines Basismaterials darstellt.
3 ist ein Diagramm, das Messergebnisse der Hochtemperaturhärte der Kupfer-Zink-Legierungen darstellt.
4 ist ein schematisches Diagramm zum Erklären eines Fressbeständigkeitsprüfverfahrens.
5 ist ein Graph, der Prüfergebnisse einer Fressbeständigkeit darstellt.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Turboladers, der eine mechanische Vorrichtung ist, als ein Anwendungsbeispiel der verschleißfesten Kupferlegierungen.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genau beschrieben.
Eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält in Massen-% 28 bis 55 % Zn, 0,5 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet. Die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß dieser Offenbarung unterbindet hauptsächlich Beschädigungen, die durch abgefallene intermetallische Verbindungen, die P enthalten, und abgefallene Oxide verursacht werden, und weist eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
Die Legierungszusammensetzung dieser verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung enthält in Massen-% 28 bis 55 % Zn, 0,5 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Der Zn-Gehalt ist erhöht, weil Zn kostengünstiger als Cu ist. Der Zn-Gehalt ist derart eingestellt, dass die Matrixphase eine α-Phase, eine (α + β)-Phase, eine β-Phase oder eine (β + γ)-Phase sein kann.
P besitzt einen Atomradius, der von denen von Cu und Zn stark verschieden ist, so dass ein Bilden eines Mischkristalls, der P in einer Matrixphase enthält, die Materialfestigkeit weiter erhöht. Der Mischkristall, der P in einer Matrixphase enthält, erhöht die Härte und verbessert die Verschleißfestigkeit. Der P-Gehalt liegt 0,5 bis 2 Massen-%, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Die Oxidschicht, die auf der Oberfläche in der Herstellung oder in der Verwendung gebildet werden kann, ist ein Oxid von P, das mindestens weicher als Aluminiumoxid ist. Da die Oxide, die auf der Oberfläche gebildet werden können, relativ weich sind, wie oben erwähnt wird, selbst wenn ein Teil der Oxidschicht von der Gleitfläche zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes abfällt, wird eine Beschädigung der Gleitfläche aufgrund des Angreifens der Oxidschicht durch den abgefallenen Teil verringert und ein übermäßiges Fortschreiten des Verschleißes wird verringert, was ermöglicht, die verbesserte Verschleißfestigkeit zu erhalten.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ferner in Massen-% 3 % oder weniger Mn und/oder 2 % oder weniger Sn enthalten. Gemäß dieser Offenbarung trägt dies zur Verschleißfestigkeit bei.
In der oben genannten Offenbarung kann der durchschnittliche Durchmesser intermetallischer Verbundpartikel 5 µm oder weniger betragen. Gemäß dieser Offenbarung kann dies den Einfluss abgefallener intermetallischer Verbindungen auf die Gleitfläche weiter verringern und es einfach machen, die Verschleißfestigkeit aufzuweisen.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 30 bis 33 % Zn, 0,9 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist. In diesem Fall weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen niedrigeren spezifischen Verschleißbetrag auf und besitzt deshalb eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 um oder weniger ist. In diesem Fall weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen niedrigeren spezifischen Verschleißbetrag auf und besitzt deshalb eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 um oder weniger ist. In diesem Fall weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen niedrigeren spezifischen Verschleißbetrag auf und besitzt deshalb eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1,4 bis 2 % MN, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 um oder weniger ist. In diesem Fall weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen niedrigeren spezifischen Verschleißbetrag auf und besitzt deshalb eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 51 bis 55 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 0,8 bis 1,1 % MN, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung kann eine metallographische Struktur besitzen, die eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält. In diesem Fall weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen niedrigeren spezifischen Verschleißbetrag auf und besitzt deshalb eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit. Die Legierung besitzt außerdem eine größere Härte und deshalb besitzt das Material eine größere mechanische Festigkeit. Zusätzlich ist es, da die metallographische Struktur keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, möglich, den Einfluss der intermetallischen Verbundpartikel, die zusammen mit dem Fortschreiben des Verschleißes abfallen, auf die Gleitfläche weiter zu verringern.
Zusätzlich enthält eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß der vorliegenden Offenbarung in Massen-% 40 bis 55 % Zn, 1 bis 6 % Mn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen und die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung besitzt eine elektrische Von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet. Die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung gemäß dieser Offenbarung unterbindet Beschädigungen, die durch abgefallen Mn-Oxide bewirkt werden, und weist eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
Die Legierungszusammensetzung dieser verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung enthält in Massen-% 40 bis 55 % Zn, 1 bis 6 % Mn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Für diese verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung erhöht ein Bilden eines Mischkristalls, der Mn in einer Matrixphase enthält, die Härte und verbessert die Verschleißfestigkeit. Außerdem liegt dann, wenn Mn statt P als das dritte Element verwendet wird, der Mn-Gehalt 1 bis 6 Massen-% hinsichtlich des Verbesserns des spezifischen Verschleißbetrags, wie im Falle der Verwendung von P. Hier bleibt der spezifische Verschleißbetrag dann, wenn der Zn-Gehalt etwa 30 Massen-% beträgt, groß, selbst wenn Mn zugegeben wird, im Gegensatz zum Fall des Verwendens von P. Somit ist dann, wenn Mn als das dritte Element zugegeben wird, der Zn-Gehalt derart eingestellt, dass er 40 bis 55 Massen-% liegt.
Die Oxidschicht, die in der Herstellung oder in der Verwendung auf der Oberfläche gebildet werden kann, ist ein Oxid von Mn, das mindestens weicher ist als Aluminiumoxid. Da die Oxide, die auf der Oberfläche gebildet werden können, wie oben erwähnt wird, relativ weich sind, wird, selbst wenn ein Teil der Oxidschicht gemeinsam mit dem Fortschreiten des Verschleißes von der Gleitfläche abfällt, eine Beschädigung der Gleitfläche aufgrund des Angreifens der Oxidschicht durch den abgefallenen Teil verringert, was ermöglicht, die verbesserte Verschleißfestigkeit zu erhalten.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ferner in Massen-% weniger als 0,5 % P und/oder 2 % oder weniger Sn enthalten. Gemäß dieser Offenbarung trägt dies zur Verschleißfestigkeit bei.
In der oben genannten Offenbarung kann die Legierungszusammensetzung der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 1,4 bis 2 % Mn, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten und muss keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält. In diesem Fall besitzt die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung einen kleineren spezifischen Verschleißbetrag und besitzt somit eine verbesserte Verschleißfestigkeit. Zusätzlich ist es, da die metallographische Struktur keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, möglich, den Einfluss intermetallischer Verbundpartikel, die zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes abfallen, auf die Gleitfläche weiter zu verringern.
In der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung kann die elektrische Leitfähigkeit ein Indikator für die Menge des dritten Elements (P oder Mn) und weiterer zusätzlicher Elemente, die im Mischkristall enthalten sein sollen, um die Verschleißfestigkeit in Bezug auf eine binäre Kupfer-Zink-Legierung, die ein Basismaterial ist, das eine gleiche Menge von Zn enthält, zu verbessern, sein und die elektrische Leitfähigkeit liegt 10 bis 33 % IACS.
Zusätzlich kann, um in der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung die Verschleißfestigkeit zu erhalten, die Härte höher oder gleich der des Basismaterials sein. Insbesondere liegt die Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet. Es ist festzuhalten, dass die Härte hauptsächlich durch die Menge des dritten Elements und weiterer zusätzlicher Elemente, die oben beschrieben werden, um im Mischkristall enthalten zu sein, gesteuert wird.
In der oben genannten Offenbarung kann die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ein geschmiedetes Material sein. Schmieden verbessert die mechanische Festigkeit des Materials, ohne die Verschleißfestigkeit zu verringern.
Eine mechanische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält ein Gleitelement, das aus der vorhergehenden verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung gebildet ist und konfiguriert ist, auf einem Gleitaufnahmeelement, das aus einem Legierungsstahl oder dergleichen gebildet ist, zu gleiten. Das Gleitelement in der mechanischen Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung weist eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
In der oben genannten Offenbarung kann das Gleitaufnahmeelement eine Verbindungswelle sein und das Gleitelement kann ein Radiallager und/oder ein Drucklager sein, wobei die Verbindungswelle und das Radiallager und/oder das Drucklager in einem Turbolader enthalten sind. Gemäß dieser Offenbarung weist die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an den Gleitflächen des Radiallagers und des Drucklagers im Turbolader auftreten.
Die Fressbeständigkeit der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung ist exzellent, weshalb sie für ein Gleitelement in einem Radiallager, einem Drucklager oder dergleichen in einem Turbolader entsprechend verwendet werden kann. Insbesondere da die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung P oder Mn, das leichter als Zn oxidiert, als das dritte Element enthält, verbessern auf der Gleitfläche gebildete P-Oxide oder Mn-Oxide, die weich sind, die Fressbeständigkeit.
Andererseits verringern z. B. für binäre Kupfer-Zink-Legierungen Zn-Oxide, die auf der Gleitfläche gebildet sind, die Fressbeständigkeit. Dann, wenn eine Kupfer-Zink-Legierung Al enthält, wird Al bevorzugt oxidiert, was Aluminiumoxid auf der Gleitfläche bildet. Da Aluminiumoxid ein hartes Oxid ist, blättert Aluminiumoxid, das auf der Gleitfläche gebildet ist, während des Gleitens leicht ab, was dazu tendiert, ein Festfressen zu verursachen. Dann, wenn eine Kupfer-Zink-Legierung Mn und Si enthält und Mangansilicide, die harte Partikel sind, in einer Matrixphase dispergiert werden, wird Si bevorzugt oxidiert, was Siliziumoxid auf der Gleitfläche bildet. Das Siliziumoxid ein hartes Oxid ist, blättert Siliziumoxid, das auf der Gleitfläche gebildet ist, während des Gleitens leicht ab, was dazu tendiert, ein Festfressen zu verursachen.
Im Gegensatz besitzt die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung eine verbesserte Fressbeständigkeit, da P-Oxide oder Mn-Oxide, die weicher als Aluminiumoxid oder dergleichen sind, auf der Gleitfläche gebildet werden. Radiallager, Drucklager oder dergleichen in einem Turbolader sind in einigen Fällen hohen Temperaturen von etwa 150 °C bis 350 °C ausgesetzt. Die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung der oben genannten Offenbarung, die eine hohe Härte in einer hohen Temperatur besitzt und die mechanische Festigkeit des Materials verbessert, kann für Radiallager und Drucklager in Turboladern entsprechend verwendet werden.
Wie in dieser Offenbarung beschrieben wurde, erhöht ein Bilden eines Mischkristalls, der P oder Mn in einer Matrixphase enthält, die Härte und verbessert die Verschleißfestigkeit. In diesem Fall ist die Oxidschicht, die in der Herstellung oder in der Verwendung auf der Gleitfläche gebildet werden kann, aus P-Oxiden oder Mn-Oxiden, die weich sind, gebildet. Da die Oxide, die auf der Oberfläche gebildet werden können, relativ weich sind, wie oben beschrieben wird, verringern die weichen Oxide selbst dann, wenn ein Teil der Oxidschicht von der Gleitfläche zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes abfällt, die Beschädigungen der Gleitfläche aufgrund des Angreifens der Oxidschicht durch den abgefallenen Teil und unterbinden ein übermäßiges Fortschreiten des Verschleißes. Somit weist mit der Konfiguration der oben genannten Offenbarung die Kupfer-Zink-Legierung eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an der Gleitfläche auftreten.
[Beispiel]
Im Folgenden werden Beispiele verschleißfester Kupfer-Zink-Legierungen gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Wie in den Beispiele Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26 in 1 gezeigt ist, wurden die verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen in den Beispielen durch Bilden von Mischkristallen, die P oder Mn in einer Matrixphase enthalten, von Kupfer-Zink-Legierungen (siehe die Proben Nr. 1 bis 4 für die Basismaterialien), die 28 bis 55 Massen-% enthalten, angefertigt. Der Zn-Gehalt wurde erhöht, weil Zn kostengünstiger als Cu ist, und die Inhalte wurden derart eingestellt, dass die Matrixphase eine α-Phase, eine (α + β)-Phase, eine β-Phase oder eine (β + γ)-Phase sein konnte. Zum Beispiel betrug der Zn-Gehalt 28 bis 55 Massen-% und typischerweise 30, 40, 45 oder 52 Massen-%.
Es existiert ein Verfahren, um eine Verschleißfestigkeit zu verbessern, in dem harte Oxide oder harte intermetallische Verbindungen, die durch Aluminiumoxid, das eine Vickers-Härte von etwa 1500 HV oder mehr besitzt, verkörpert werden, in einer Matrixphase dispergiert werden. Allerdings wurden in den vorliegenden Beispielen Mischkristalle, die P oder Mn in einer Matrixphase enthalten, um die Härte zu erhöhen, gebildet, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. In diesem Fall ist die Oxidschicht, die in der Herstellung oder in Verwendung gebildet werden kann, aus P-Oxiden oder Mn-Oxiden gebildet, die mindestens weicher als Aluminiumoxid sind. Da die Oxide, die an der Oberfläche gebildet werden können, relativ weich sind, wie oben erwähnt wird, werden selbst dann, wenn ein Teil der Oxidschicht von der Gleitfläche zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes abfällt, Beschädigungen der Gleitfläche aufgrund eines Angreifens des abgefallenen Teils der Oxidschicht verringert und ein übermäßiges Fortschreiten des Verschleißes wird verringert, was ermöglicht, die verbesserte Verschleißfestigkeit zu erhalten.
Zusätzlich unterbindet auch P oder Mn, das leichter als Zn oxidiert, das als das dritte Element enthalten ist, eine Entzinkungskorrosion.
Ferner besitzt P einen Atomradius, der von denen von Cu und Zn stark verschieden ist, so dass ein Bilden eines Mischkristalls der P in einer Matrixphase enthält, die Materialfestigkeit weiter erhöht. Es ist festzuhalten, dass nicht nur ein Mischkristall, der P in einer Matrixphase enthält, sondern auch P dazu tendiert, intermetallische Verbindungen mit Cu und Zn zu bilden, was wahrscheinlich zur Verbesserung der Härte beiträgt, jedoch werden diese intermetallischen Verbindungen nicht sicher gebildet. Die intermetallischen Verbindungen von P sind weicher als intermetallische Verbindungen von Si oder dergleichen, jedoch mindestens härter als die Matrixphase. Somit kann, um den Einfluss intermetallischer Verbindungen von P, die zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes abfallen, auf die Gleitfläche zu verringern, der durchschnittliche Partikeldurchmesser der intermetallischen Verbindungen 5 um oder weniger sein.
Die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierungen gemäß der Beispiele besitzen höhere Verschleißfestigkeiten mindestens als Cu-26 Zn-4.2 Al-2.2 Fe-3 Mn, das als eine hochfeste Messinglegierung bekannt ist, und Cu-28 Zn-3.2 Al-3 Mn-0,6 Si-1 Ni, das harte Mn-Silicide als verschleißfeste Partikel enthält.
Als nächstes wird eine Beschreibung für die Ergebnisse der Messung der elektrischen Leitfähigkeit, der Messung der Härte und der Messung des spezifischen Verschleißbetrags, die für Kupfer-Zink-Legierungen, die die in 1 dargestellte Komponentenzusammensetzung besitzen, durchgeführt wurden, geliefert.
Proben wurden durch Bilden von Formen von 77 mm im Durchmesser × 160 mm in der Länge durch Gießen unter Verwendung geschmolzener Kupfer-Zink-Legierungen, die die Komponentenzusammensetzungen, die in Nr. 1 bis 28 gezeigt sind, besitzen, angefertigt. Für einige dieser Proben (Nr. 11, 13, 24, 26 und 27) wurden die Gussprodukte durch Warmschmieden in 35 mm-Quadrate geformt.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde gemäß JIS Z 0505 gemessen. Für die Härte wurde die Brinell-Härte gemäß JlS Z 2243 gemessen. Es ist festzuhalten, dass die Prüfkraft, die verwendet wurde, zwischen 500 kgf (4903 N), 1000 kgf (9807 N) und 3000 kgf (29420 N) geändert wurde, wie jeweils anwendbar ist.
Der spezifische Verschleißbetrag wurde in einer Stift-auf-Ring-Prüfung unter Verwendung einer Hayama-Verschleißprüfvorrichtung gemessen. Die Abmessungen von Prüfstücken waren 5 mm × 5 mm × 25 mm. Für die Kupplungselemente wurde ein SCM-435-Material, dessen Härte zu HRC 50 eingestellt worden ist, ohne Schmieröl verwendet. Der Flächendruck wurde zu 40 kgf/cm² (392 N/cm²) gesetzt. Die Umfangsgeschwindigkeit wurde zu 1,0 m/sec gesetzt. Die Fahrstrecke wurde zu 2 km gesetzt.
Wie in 1 dargestellt ist, sind die Proben Nr. 1 bis 4, die Kupfer-Zink-Legierungen sind, die aus zwei Elementen von Cu und Zn gebildet sind, Basismaterialien, die mit weiteren Materialien verglichen werden sollen. Die Zn-Gehalte dieser Proben waren in Massen-% 30 %, 40 %, 45 % und 52 %. Die Ergebnisse der spezifischen Verschleißbeträge dieser Proben waren 4,40 × 10^-7, 7,00 × 10^-7, 5,20 × 10^-7, und 4,40 × 10^-7 mm²/kgf (4,49 × 10^-8, 7,14 × 10^-8, 5,30 × 10^-8, und 4,49 × 10^-8 mm²/N). Der spezifische Verschleißbetrag war dann am größten, wenn der Zn-Gehalt 40 % betrug, und der spezifische Verschleißbetrag wurde in beiden Fällen des Verringerns des Zn-Gehalts zu 30 % und seines Erhöhens zu 52 % kleiner. Die elektrische Leitfähigkeit tendiert dazu, mit steigendem Zn-Gehalt anzusteigen, und ändert sich 29 bis 39 % IACS.
Wie in 2 dargestellt ist, weist die Härte des Basismaterials (Nr. 1 bis 4) eine nahezu lineare Beziehung mit dem Zn-Gehalt auf, was durch $Härte (HBW) = 3,6 [Zn] - 55$
angenähert werden kann, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.
Wenn eine Probe einen kleineren spezifischen Verschleißbetrag als das Basismaterial, das dasselbe Niveau von Zn-Gehalt enthält, kann von den Proben Nr. 5 bis 26 gesagt werden, dass die Verschleißfestigkeit der Probe mindestens durch das dritte Element, P oder Mn, oder weitere zusätzliche Elemente verbessert wird. Insbesondere wiesen die Proben Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26 alle kleinere spezifische Verschleißbeträge als die Basismaterialien, die dasselbe Niveau von Zn-Gehalt enthalten, auf und besitzen deshalb verbesserte Verschleißfestigkeiten.
Insbesondere wies von den Proben Nr. 7 bis 13, die etwa 45 Massen-% Zn und P als das dritte Element enthalten, die Probe, die etwa 0,2 Massen-% P enthält, einen spezifischen Verschleißbetrag von 5,88 × 10^-7 mm²/kgf (6,00 × 10^-8 mm²/N) auf, der größer als der des Basismaterials (Nr. 3), 5,20 × 10^-7 mm²/kgf (5,30 × 10^-8 mm²/N), ist. Wenn der Betrag des zusätzlichen P anstieg, nahm der spezifische Verschleißbetrag ab und die Probe, die etwa 1 Massen-% P enthält, wies den kleinsten spezifischen Verschleißbetrag 2,21 × 10^-7 mm²/kgf (2,25 × 10^-8 mm²/N) auf. Wenn der P-Gehalt von diesem Wert ansteigt, tendiert der spezifische Verschleißbetrag dazu, anzusteigen. Mit anderen Worten erhöht der P-Gehalt 0,5 bis 2 Massen-% die Verschleißfestigkeit.
Für die Proben Nr. 5 und 6, die etwa 30 Massen-% Zn und P als das dritte Element enthalten, wies die Probe Nr. 5, die etwa 1 Massen-% P enthält, einen spezifischen Verschleißbetrag von 2,82 × 10^-7 mm²/kgf (2,88 × 10^-8 mm²/N) auf und die Probe Nr. 6, die etwa 2 Massen-% P enthält, einen spezifischen Verschleißbetrag von 2,10 × 10^-7 mm²/kgf (2,14 × 10^-8 mm²/N) auf, die beide kleiner als der des Basismaterials (Nr. 1), 4,40 × 10^-7 mm²/kgf (4,49 × 10^-8 mm²/N), sind. Mit anderen Worten verbessert auch dann, wenn der Zn-Gehalt etwa 30 Massen-% ist, die Einbeziehung von P als das dritte Element die Verschleißfestigkeit.
Zusätzlich können ferner Mn oder Sn als weitere Zusatzstoffe zugegeben werden. Wie die Proben Nr. 14 bis 16 anzeigen, verringert die weitere Einbeziehung von Mn oder Sn den spezifischen Verschleißbetrag im Vergleich zum Basismaterial Nr. 3. In diesem Fall ist der Mn-Gehalt auf 3 Massen-% oder weniger gesetzt und der Sn-Gehalt ist auf 2 Massen-% oder weniger gesetzt.
Ferner macht, wie die Proben Nr. 17 und 18 anzeigen, dann, wenn die Zn-Gehalte etwa 52 Massen-% und etwa 54 Massen-% sind, die Einbeziehung von P, Mn und Sn die spezifischen Verschleißbeträge kleiner als die des Basismaterials Nr. 4, 4,40 × 10^-7 mm²/kgf (4,49 × 10^-8 mm²/N). Aus den oben angegebenen Ergebnissen liegt der Zn-Gehalt, mit dem eine Zugabe von P als das dritte Element den spezifischen Verschleißbetrag verringert, 28 bis 55 Massen-%.
Auch im Fall des Verwendens von Mn statt P als das dritte Element sollte hinsichtlich des Verbesserns des spezifischen Verschleißbetrags aus den Ergebnissen von Nr. 21 bis 24 wie im Falle von P der Mn-Gehalt 1 bis 6 Massen-% liegen. Hier zeigen die Ergebnisse von Nr. 19 und 20, dass dann, wenn der Zn-Gehalt etwa 30 Massen-% ist, ein Zusatz von Mn als das dritte Element den spezifischen Verschleißbetrag größer als den des Basismaterials Nr. 1 macht, im Gegensatz zum Fall von P. Aus diesem Ergebnis sollte dann, wenn Mn als das dritte Element zugegeben wird, der Zn-Gehalt 40 bis 55 Massen-% liegen.
Zusätzlich können im Fall des Verwendens von Mn als das dritte Element P oder Sn ferner als weitere Zusatzstoffe zugegeben werden. Wie die Proben Nr. 25 und 26 anzeigen, macht eine weitere Einbeziehung von Sn den spezifischen Verschleißbetrag kleiner als den des Basismaterials Nr. 3, dessen Zn-Gehalt etwa 45 Massen-% ist. Außerdem kann P zugegeben werden. In diesem Fall sollte der Sn-Gehalt 2 Massen-% oder weniger sein. Hier sollte der P-Gehalt weniger als 0,5 Massen-% sein, um die Vervielfältigung des P-Gehalts dann, wenn P als das dritte Element verwendet wird, zu vermeiden, wie oben beschrieben wird.
Ein Vergleich zwischen den Proben Nr. 11, 13, 24 und 26, die geschmiedete Materialien sind, und den Proben Nr. 10, 12, 23 und 25, die Gussmaterialien sind, zeigt, dass die geschmiedeten Materialien spezifische Verschleißbeträge auf demselben Niveau wie die der Gussmaterialien besitzen, jedoch dazu tendieren, größere Härten als die Gussmaterialien aufzuweisen. Mit anderen Worten verbessert Schmieden die mechanische Festigkeit von Materialien, ohne die Verschleißfestigkeit zu verringern.
Die Proben Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26, die oben beschrieben werden, besitzen elektrische Leitfähigkeiten 11 bis 33 % IACS. Diese Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Leitfähigkeit dazu tendiert, abzunehmen, wenn der Gehalt von P, Mn oder Sn zunimmt. Daher kann die elektrische Leitfähigkeit ein Indikator sein, um den Gehalt von P, Mn und Sn in den oben genannten Bereich zu führen, mit anderen Worten ein Indikator der Menge des dritten Elements oder weiterer zusätzlicher Elemente, die im Mischkristall enthalten sind, um die Verschleißfestigkeit in Bezug auf das Basismaterial zu verbessern. Somit sollte die elektrische Von 10 bis 33 % IACS liegen.
Eine größere Härte bedeutet nicht direkt eine höhere Verschleißfestigkeit, trägt jedoch im Allgemeinen zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei. Zum Beispiel besitzt die Probe Nr. 21 eine Härte von 96 HBW, was niedriger als die geschätzte Härte des Basismaterials (Formel 1), 112 HBW, ist, und wies eine spezifische Verschleißfestigkeit auf, die größer als die des Basismaterials Nr. 3 ist. Dies ist wohl darauf zurückzuführen, dass nicht nur die Härteverbesserung aufgrund von Mn, das im Mischkristall enthalten ist, klein war, sondern auch die Dispersion des Wärmeverlaufs oder dergleichen die Härte verringerte, weil die Probe Nr. 21 ein Gussprodukt war, und diese geringere Härte verringerte die Verschleißfestigkeit. Somit ist, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erhalten, eine Härte erforderlich, die größer oder gleich der geschätzten Härte des Basismaterials, die aus dem Zn-Gehalt unter Verwendung von Formel 1 bestimmt wurde, ist. Daher sollte die Härte 3,6 [Zn] - 55 (HBW) oder mehr sein, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet. Es ist festzuhalten, dass die Härte hauptsächlich durch die Menge des dritten Elements und weiterer zusätzlicher Elemente, die oben beschrieben werden, die im Mischkristall enthalten sein sollen, gesteuert wird.
Wenn ein Mischkristall gebildet wird, der P in einer Matrixphase enthält, tendiert ein Teil davon dazu, ausgefällt zu werden und intermetallische Verbindungen zu bilden. Die Härte wird wahrscheinlich durch die Menge derartiger intermetallischer Verbindungen, die Durchmesser der intermetallischen Verbindungen und weitere Faktoren beeinflusst. Somit kann man sagen, dass nicht nur die Menge, die im Mischkristall enthalten ist, sondern auch die intermetallischen Verbindungen die Härte steuern. Hier werden diese intermetallischen Verbindungen nicht sicher gebildet, wie oben erwähnt wird.
Die Probe Nr. 27 ist eine sogenannte hochfeste Messinglegierung und ist ein geschmiedetes Material, das in JIS H 5120 als CAC303 festgelegt ist. Der spezifische Verschleißbetrag der Probe betrug 7,97 × 10^-7 mm²/kgf (8,13 × 10^-8 mm²/N). Im Vergleich zu dieser Probe wiesen die oben genannten Proben Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26 alle relativ kleine spezifische Verschleißbeträge auf und deshalb besitzen diese Proben höhere Verschleißfestigkeiten.
Die Probe ist ein hochfestes Messing, dem Mn und Si zugegeben werden, so dass Mangansilicide, die harte Partikel sind, in einer Matrixphase als verschleißfeste Partikel dispergiert werden. Der spezifische Verschleißbetrag der Probe betrug 8,70 × 10^-7 mm²/kgf (8,87 × 10^-8 mm²/N). Im Vergleich zu dieser Probe wiesen die oben genannten Proben Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26 alle relativ kleine spezifische Verschleißbeträge auf und deshalb besitzen diese Proben höhere Verschleißfestigkeiten.
Dann wurden die metallographischen Strukturen der Kupfer-Zink-Legierungen, die die Komponentenzusammensetzung, die in 1 gezeigt ist, besitzen, mit einem Lichtmikroskop betrachtet. Die Beobachtungsergebnisse der metallographischen Strukturen der Kupfer-Zink-Legierungen sind in 1 gezeigt. Die metallographische Struktur der Probe Nr. 1 wies eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase auf. Die metallographische Struktur der Probe Nr. 2 wies eine Matrixphase einer (α + β)-Phase auf. Die metallographische Struktur der Probe Nr. 3 wies eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase auf. Die metallographische Struktur der Probe Nr. 4 wies eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase auf.
Die metallographische Struktur der Proben Nr. 5 und 6 wies eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase auf und enthielt eine Fällungsphase, die Partikel intermetallischer Verbindungen (Cu, Zn)_xP enthielt, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger war. Die metallographische Struktur der Proben Nr. 7 bis 16 wies eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase auf und enthielt eine Fällungsphase, die Partikel intermetallischer Verbindungen (Cu, Zn)_xP enthielt, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger war. Die metallographische Struktur der Proben Nr. 17 und 18 weist eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase auf und enthielt keine Fällungsphase, die intermetallische Verbundpartikel enthielt.
Die metallographische Struktur der Proben Nr. 19 und 20 weist eine Matrixphase einer (α + β)-Phase auf und enthielt keine Fällungsphase, die intermetallische Verbundpartikel enthielt. Die metallographische Struktur der Proben Nr. 21 bis 26 wies eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase auf und enthielt keine Fällungsphase, die intermetallische Verbundpartikel enthielt.
Die metallographische Struktur der Probe Nr. 27 wies eine Matrixphase einer (α + β)-Phase auf und enthielt keine Fällungsphase, die intermetallische Verbundpartikel enthielt. Die metallographische Struktur der Probe Nr. 28 wies eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase auf und enthielt eine Fällungsphase, die Partikel intermetallischer Verbindungen Mn₅Si₃ und weiterer enthielt.
Dann wurde die Hochtemperaturhärte der Kupfer-Zink-Legierungen, die die Komponentenzusammensetzung, die in 1 gezeigt ist, besitzen, gemessen. Als die Hochtemperaturhärte wurde die Brinell-Härte gemäß JlS Z 2243 wie in der oben genannten Härtemessung gemessen. Es ist festzuhalten, dass die Prüfkraft 500 kgf (4903 N) betrug. Die Prüftemperaturen betrugen 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C und 350 °C.
3 ist ein Diagramm, das die Hochtemperaturhärtemessergebnisse für die Kupfer-Zink-Legierungen zeigt. Es ist festzuhalten, dass 3 auch die Raumtemperaturhärte der Kupfer-Zink-Legierungen, die in 1 gezeigt sind, enthält. Die Proben Nr. 5 und 6 tendierten dazu, höhere Hochtemperaturhärten als die Kupfer-Zink-Legierung Nr. 1 des Basismaterials aufzuweisen. Die Proben Nr. 8 bis 16 tendierten dazu, höhere Hochtemperaturhärten als die Kupfer-Zink-Legierung Nr. 3 des Basismaterials aufzuweisen. Die Proben Nr. 17 und 18 tendierten dazu, höhere Hochtemperaturhärten als die Kupfer-Zink-Legierung Nr. 4 des Basismaterials aufzuweisen. Die Proben Nr. 22 bis 26 tendierten dazu, höhere Hochtemperaturhärten als die Kupfer-Zink-Legierung Nr. 3 des Basismaterials aufzuweisen. Aus diesen Ergebnissen wurde festgestellt, dass für die verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen ein Bilden eines Mischkristalls, der P oder Mn in einer Matrixphase enthält, die Hochtemperaturhärte erhöht.
Zusätzlich wiesen von den Proben Nr. 5, 6, 8 bis 18 und 22 bis 26 in diesen Beispielen die Proben Nr. 5, 6, 9 bis 11, 15 bis 18 und 25 bis 26 alle kleinere spezifische Verschleißbeträge auf. Somit besitzen diese Proben eine höhere Verschleißfestigkeit.
Um genauer zu sein, wurde aus dem Ergebnis, dass die Proben Nr. 5 und 6 kleinere spezifische Verschleißbeträge unter den oben genannten Proben aufwiesen, festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 30 bis 33 % Zn, 0,9 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist, besitzen kann.
Aus dem Ergebnis, dass die Proben Nr. 9 bis 11 kleinere spezifische Verschleißbeträge unter den oben genannten Proben aufwiesen, wurde festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist, besitzen kann.
Aus dem Ergebnis, dass die Probe Nr. 15 einen kleineren spezifischen Verschleißbetrag unter den oben genannten Proben aufwies, wurde festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist, besitzen kann.
Aus dem Ergebnis, dass die Probe Nr. 16 einen kleineren spezifischen Verschleißbetrag unter den oben genannten Proben aufwies, wurde festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 1,4 bis 2 % Mn, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist, besitzen kann.
Aus dem Ergebnis, dass die Proben Nr. 17 und 18 kleinere spezifische Verschleißbeträge unter den oben genannten Proben aufwiesen, wurde festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 51 bis 55 % Zn, 0,8 bis 1 % P, 0,8 bis 1,1 % Mn, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, besitzen kann. Es wurde außerdem festgestellt, dass die Proben Nr. 17 und 18 dazu tendieren, höhere Härten als die Proben Nr. 5, 6, 9 bis 11, 15 und 16 aufzuweisen.
Aus dem Ergebnis, dass die Proben Nr. 25 und 26 kleinere spezifische Verschleißbeträge unter den oben genannten Proben aufwiesen, wurde festgestellt, dass eine verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung in Massen-% 44 bis 47 % Zn, 1,4 bis 2 % Mn, 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigen enthalten und eine metallographische Struktur, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, besitzen kann.
Dann wurde die Fressbeständigkeit einiger der Kupfer-Zink-Legierungen, die die Komponentenzusammensetzung, die in 1 gezeigt ist, bewertet. Die Proben Nr. 10 und 23 wurden in diesen Beispielen als die verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen verwendet. Die Proben Nr. 1, 3 und 7 wurden als die Kupfer-Zink-Legierungen der vergleichenden Beispiele verwendet. Zusätzlich wurden außerdem eine Legierung von Cu - 30 Massen-% Zn - 3 Massen-% Al (Nr. 29) und eine Legierung von Cu - 45 Massen-% Zn - 2 Massen-% Mn - 0,6 Massen-% Si (Nr. 30) als Kupfer-Zink-Legierungen vergleichender Beispiele bewertet.
Zunächst wird eine Beschreibung für das Verfahren zum Bewerten der Fressbeständigkeit geliefert. Eine Hochdrehzahllagerreibungsprüfvorrichtung wurde als Prüfgerät verwendet. 4 ist ein schematisches Diagramm, um das Fressbeständigkeitsprüfverfahren zu erläutern. Wie in 4 dargestellt ist, ist ein Druckring derart angeordnet, dass er Probenlagern zugewandt ist, um eine Axiallast auf die Probenlager aufzubringen. Das Probenlager war ein Prüfstück, das eine Scheibenform mit einem Loch in der Mitte aufwies. Die Probenlager wurden an vier Stellen auf der Haltevorrichtung in einer Umfangsrichtung angeordnet. Die Lagerlast wurde von der Rückseite der Probenlager mit einem Hydraulikzylinder aufgebracht und die Last wurde schrittweise erhöht. Ein plötzlicher Anstieg der Temperatur und ein plötzlicher Anstieg des Drehmoments während der Prüfung wurden als Festfressen bewertet und der Flächendruck der Lager zum Zeitpunkt des Festfressens wurde als der Festfressflächendruck bestimmt. Der Lagerflächendruck wurde alle drei Minuten um 0,03 MPa erhöht. Für das Schmieröl wurde ein Motoröl (SAE10W-30) verwendet. Das Material des Druckrings war Chrom-Molybdän-Stahl (SCM435). Die Umdrehungszahl pro Minute der Welle wurde zu etwa 25,000 l/min eingestellt.
Als nächstes werden die Fressbeständigkeitsprüfergebnisse beschrieben. 5 ist ein Graph, der die Fressbeständigkeitsprüfergebnisse zeigt. Im Graph von 5 zeigt die horizontale Achse die Typen von Kupfer-Zink-Legierungen an, die vertikale Achse zeigt den Festfressflächendruck an und der Festfressflächendruck jeder Kupfer-Zink-Legierung ist mit einem Balkendiagramm gezeigt. Ein höherer Festfressflächendruck bedeutet eine bessere Festfressbeständigkeit. Es ist festzuhalten, dass der Festfressflächendruck jeder Kupfer-Zink-Legierung aus dem Durchschnitt derer der vier Probenlager bestimmt wurde.
Als die Festfressflächendrücke der Kupfer-Zink-Legierungen der vergleichenden Beispiele wies die Probe Nr. 1 etwa 1,4 MPa auf. Die Probe Nr. 3 wies etwa 1,6 MPa auf. Die Probe Nr. 7 wies etwa 0,7 MPa auf. Die Probe Nr. 29 wies etwa 0,5 MPa auf. Die Probe Nr. 30 wies etwa 1,0 MPa auf. Im Vergleich zu diesen Ergebnissen wies die Probe Nr. 10 für die verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen etwa 2,7 MPa auf. Die Probe Nr. 23 wies etwa 2,7 MPa auf. Die Festfressflächendrücke der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen Nr. 10 und 23 sind höher als die der Kupfer-Zink-Legierungen Nr. 1, 3, 7, 29 und 30. Aus diesen Ergebnissen wurde deutlich, dass die verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen eine exzellente Fressbeständigkeit aufweisen.
Wie oben beschrieben worden ist, wird die Verschleißfestigkeit des Materials in Bezug auf das Basismaterial, das aus zwei Elementen, Cu und Zn, durch Zugeben einer festgelegten Menge von P als das dritte Element zu einer Kupfer-Zink-Legierung, die 28 bis 55 Massen-% Zn enthält, um einen Mischkristall zu bilden, gebildet ist, durch Zugeben einer festgelegten Menge von Mn als das dritte Element zu einer Kupfer-Zink-Legierung, die 40 bis 55 Massen-% Zn enthält, um einen Mischkristall zu bilden, oder durch weiteres Zugeben einer festgelegten Menge gewisser Zusatzstoffe verbessert. Der Hauptgrund dafür ist wahrscheinlich, dass das Bilden eines Mischkristalls, der das dritte Element enthält, in einer Matrixphase die Härte erhöht hat, was die Verschleißfestigkeit verbesserte.
Zusätzlich enthält, da die Legierung P oder Mn enthält, jedoch kein Si enthält, die Oxidschicht, die zusammen mit dem Fortschreiten des Verschleißes auf der neuen Oberfläche gebildet werden kann, keine Si-Oxide und somit sind die Oxide, die die Oxidschicht bilden, weicher als Aluminiumoxide. Beschädigungen an der Gleitfläche aufgrund des Angreifens durch die Oxidschicht, die von der Gleitfläche abgefallen ist, wurden verringert und ein übermäßiges Fortschreiten des Verschleißes wurde unterbunden, wohl weil die Oxide, die auf der Oberfläche gebildet werden können, wie gerade erwähnt wurde, relativ weich sind. Zusammenfassend wiesen die Kupfer-Zink-Legierungen dieser Beispiele wohl eine Verschleißfestigkeit auf, selbst wenn Änderungen an den Gleitflächen auftraten, und als ein Ergebnis war die Verschleißfestigkeit höher als die des hochfesten Messings (siehe Nr. 27 und 28), das ein herkömmliches Material ist. Außerdem ist die aggressive Eigenschaft der Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen gegen das Kupplungselement gering.
Insbesondere wurden dann, wenn P als das dritte Element zugegeben wurde, intermetallische Verbindungen, deren Durchmesser 5 µm oder weniger war, beobachtet. Allerdings können selbst dann, wenn derartige intermetallische Verbindungen durch Verschleiß abfallen, Beschädigungen an der Gleitfläche aufgrund eines Angreifens durch intermetallische Verbindung unterbunden werden, wohl nicht nur, weil die Durchmesser klein sind, sondern auch, weil sie relativ weich sind. Somit können die Kupfer-Zink-Legierungen wohl auch Verschleißfestigkeiten aufweisen.
Es ist festzuhalten, dass, obwohl die Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen durch Gießen oder Schmieden des Gussprodukts wie oben beschrieben erhalten wurden und nicht wärmebehandelt wurden, nach Bedarf eine Wärmebehandlung an den Kupfer-Zink-Legierungen durchgeführt werden kann.
Die Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen weisen eine Verschleißfestigkeit auf, wenn die Kupfer-Zink-Legierungen für Gleitelemente, die auf Gleitaufnahmeelementen in mechanischen Vorrichtungen, die Gleitabschnitte besitzen, wie z. B. Drehmaschinen gleiten, verwendet werden. Zum Beispiel können, wie in 6 dargestellt ist, die Kupfer-Zink-Legierungen in diesen für ein Radiallager (schwimmendes Metall) 5 (Gleitelement) und/oder ein Drucklager 6 (Gleitelement), die auf einer Welle 4 (Gleitaufnahmeelement), die ein Turbinenlaufrad 2 und ein Kompressorlaufrad 3 in einem Turbolader 1 als eine mechanische Vorrichtung verbinden, gleiten, verwendet werden. Insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsgleiten wie beim Radiallager 5 und beim Drucklager 6 im Turbolader 1 beeinflusst die Härte des Materials die Verschleißfestigkeit nicht direkt, wie oben beschrieben ist. Da für die Kupfer-Zink-Legierungen in diesen Beispielen Oxide, die auf der Oberfläche gebildet werden können, relativ weich sind, weisen die Kupfer-Zink-Legierungen in diesem Beispiel eine Verschleißfestigkeit auf.
Obwohl Beispiele und Änderungen auf der Grundlage der Beispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung wie oben beschrieben worden sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele und Änderungen beschränkt. Fachleute können verschiedene alternative Beispiele und Änderungen finden, ohne von der Substanz der vorliegenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen abzuweichen. Zum Beispiel können für die Komponentenzusammensetzung der Legierungen zusätzliche Komponenten zugegeben werden, um zusätzliche Wirkungen zu erhalten, solange die Merkmale der vorliegenden Offenbarung nicht verlorengehen.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Da die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung der vorliegenden Offenbarung eine Verschleißfestigkeit aufweist, selbst wenn Änderungen an den Gleitflächen auftreten, ist sie für Radiallager und/oder Drucklager in Turboladern nützlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4100583 [0006]

Claims

Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung, die in Massen-% Folgendes umfasst: 28 bis 55 % Zn; 0,5 bis 2 % P und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr besitzt, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, die ferner in Massen-% Folgendes umfasst: 3 % oder weniger Mn und/oder 2 % oder weniger Sn.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der durchschnittliche Durchmesser intermetallischer Verbundpartikel 5 um oder weniger beträgt.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, die in Massen-% Folgendes umfasst: 30 bis 33 % Zn und 0,9 bis 2 % P, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer einzelnen α-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, die in Massen-% Folgendes umfasst: 44 bis 47 % Zn und 0,8 bis 1 % P, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, die in Massen-% Folgendes umfasst: 44 bis 47 % Zn; 0,8 bis 1 % P; 1 bis 1,1 % Sn und einem Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, die in Massen-% Folgendes umfasst: 44 bis 47 % Zn; 0,8 bis 1 % P; 1,4 bis 2 % MN und 1 bis 1,1 % Sn, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und eine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält, deren durchschnittlicher Durmesser 5 µm oder weniger ist.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, die in Massen-% Folgendes umfasst: 51 bis 55 % Zn; 0,8 bis 1 % P; 0,8 bis 1,1 % MN und 1 bis 1,1 % Sn, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer (β + γ)-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung, die in Massen-% Folgendes umfasst: 40 bis 55 % Zn; 1 bis 6 % Mn und einem Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 33 % IACS und eine Härte von 3,6 [Zn] bis 55 HBW oder mehr besitzt, wobei [Zn] den Zn-Gehalt in Massen-% bezeichnet.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 9, die ferner in Massen-% Folgendes umfasst: weniger als 0,5 % P und/oder 2 % oder weniger Sn.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 10, die in Massen-% Folgendes umfasst: 44 bis 47 % Zn; 1,4 bis 2 % Mn; 1 bis 1,1 % Sn und einen Rest von Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung eine metallographische Struktur besitzt, die eine Matrixphase einer einzelnen β-Phase besitzt und keine Fällungsphase enthält, die intermetallische Verbundpartikel enthält.
Verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die verschleißfeste Kupfer-Zink-Legierung ein geschmiedetes Material ist.
Mechanische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Gleitelement, das aus der verschleißfesten Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 gebildet ist und konfiguriert ist, auf einem Gleitaufnahmeelement zu gleiten.
Mechanische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Gleitaufnahmeelement eine Verbindungswelle ist und das Gleitelement ein Radiallager und/oder ein Drucklager ist, wobei die Verbindungswelle und das Radiallager und/oder das Drucklager in einem Turbolader enthalten sind.