DE1154642B

DE1154642B - Aluminiumhaltige Mehrstoffbronzen, die sich insbesondere durch hohe Warmfestigkeit und chemische Bestaendigkeit auszeichnen

Info

Publication number: DE1154642B
Application number: DEV19319A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Kurt Dies
Original assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: Ver Deutsche Metallwerke AG
Priority date: 1960-09-08
Filing date: 1960-09-08
Publication date: 1963-09-19

Description

Aluminiumhaltige Mehrstoffbronzen, die sich insbesondere durch hohe Warmfestigkeit und chemische Beständigkeit auszeichnen Die Erfindung bezieht sich auf Mehrstoffbronzen, die Aluminium enthalten und die sich vor allem durch eine hohe Warmfestigkeit auszeichnen müssen, außerdem aber auch chemischen Angriffen, insbesondere von Bleitetraäthyl, widerstehen können. Ein solcher Werkstoff ist unter anderem auch für Ventilsitzringe in Brennkraftmaschinen einsatzfähig. Derartige Maschinenteile müssen außerdem noch hinreichend zunderbeständig sein, um den hohen Temperaturen, wie sie besonders am Auslaßventil herrschen, gerecht zu werden. Die chemische Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von Bleitetraäthyl oder anderen derartigen Stoffen, die den gebräuchlichen Treibmitteln, wie Benzin, zur Verminderung der Klopfeigenschaften zugesetzt werden, ist für die Ventilsitzringe somit eine der Hauptforderungen. Es wird aber außerdem noch von dem Material gefordert, daß sich dessen Ausdehnungskoeffizient in etwa dem des umgebenden Haltematerials bewegt, das häufig aus einer Aluminiumlegierung besteht. Ferner soll dieser Werkstoff die Wärme gut abführen und eine möglichst hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.
Ventilsitzringe aus Gußeisen sind nur in einem bestimmten Temperaturgebiet verwendbar, scheiden aber überall da aus, wo innerhalb der Motoren höhere Temperaturen am Ventfsitzring herrschen. Ebensowenig haben sich Ventilsitzringe aus Stahl, vor allem solche aus gesintertem Werkstoff, durchsetzen können, da sie ebenfalls bei den hohen Temperaturen nicht mehr den Anforderungen, insbesondere den chemischen Angriffen, gewachsen sind und eine zu geringe Warmfestigkeit aufweisen.
Es ist fernerhin versucht worden, Mehrstoff-Aluminiumbronzen für solche Ringe zu benutzen, die gegen die oxydierenden Gase recht unempfindlich waren. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sie auf die Dauer den Angriffen von Bleitetraäthyl nicht widerstehen konnten und auch eine zu geringe Warmfestigkeit aufwiesen.
Die Erfindung löst die Aufgabe, die Zusammensetzung der Mehrstoff-Aluminiumbronze so auszuwählen, daß die aus diesem Werkstoff gefertigten Ventilsitzringe, insbesondere für den Einbau in Leichtmetallgehäuse von Brennkraftmaschinen, die den vorgenannten Anforderungen gerecht werden, geeignet sind. Erfindungsgemäß besitzt die hierfür in Frage kommende Mehrstoff-Aluminiumbronze folgende Zusammensetzung:

5 bis 91/o Aluminium,

2 bis 6% Eisen,

2 bis 6% Nickel,

0,01 bis 0,5 % Zirkonium,

0,05 bis 0,5 % Chrom,

gegebenenfalls bis 3% Silizium,

gegebenenfalls bis 1% Blei,

gegebenenfalls bis 1% Zink,

gegebenenfalls bis 15 % Mangan,

Rest Kupfer.

Die Nickelkomponente kann ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt sein.
Es sind zwar aluminiumhaltige Mehrstoffbronzen bekanntgeworden, die die Sollkomponenten dieser Legierungen aufweisen. Der Eisenanteil derselben ist aber so hoch gewählt, daß die Zunderbeständigkeit und der Widerstand gegen den Angriff von Bleitetraäthyl gering sind. Außerdem sind die beiden Elemente Chrom und Zirkonium im Zusammenhang mit anderen Komponenten in den bekannten Legierungen vertreten, so daß sie nicht die ihnen zufallende Aufgabe nach der Erfindung zu lösen vermögen. Durch das Einlegieren von Chrom und Zirkonium gelingt es nämlich, insbesondere die Beständigkeit gegenüber den chemischen Angriffen klopfvermindernder Zusätze des Benzins, wie z. B. Bleitetraäthyl, zu erhöhen. Die bekannten Bronzen zeichnen sich vor allem durch eine hohe Elastizität aus. Sie sollen daher auch zur Fertigung von Federn benutzt werden.
Mehrstoffbronzen mit Aluminum, Eisen, Nickel und Mangan sind ferner als Werkstoff für Kolbenringe empfohlen worden, die eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Da aber diesen Bronzen die Chrom- und Zirkoniumkomponente vollkommen fehlen, reicht ihre Korrosionsbeständigkeit gegen den Angriff der klopfmindernden Zusätze des Benzins nicht aus. Sie beschränkt sich auf die Abwehr der chemischen Einwirkung durch Öle mit hohem Schwefelgehalt.
Auch die für die Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen in Vorschlag gebrachten Mehrstoffbronzen haben eine von den erfindungsgemäßen Legierungen abweichende Zusammensetzung. Um das Gewicht der Bronzekolben gering zu halten, ist den Bronzen Aluminium in größeren Mengen einlegiert und der Nickelanteil möglichst gering bemessen. Hierdurch werden aber die Rekristallisationstemperatur und damit auch die Warmfestigkeit des Werkstoffes herabgesetzt. Das Fehlen von Chrom und Zirkonium begründet auch bei diesen Bronzen den nicht ausreichenden Korrosionswiderstand gegen Bleitetraäthyl.
Von Gegenständen, die wie Ventilsitzringe besonders hoher Warmfestigkeit zur Aufnahme der Schlagbeanspruchung durch die Ventile während des Betriebes bedürfen und gleichzeitig korrosionsfest gegen die Einwirkung von Bleitetraäthyl sein sollen, wird außerdem noch gefordert, daß sie sich gut spargebend und sparlos verarbeiten lassen. Außerdem soll der Ausdehnungskoeffizient dieses Werkstoffes etwa bei 20 - 10-s° C-1 liegen. Er kommt dem des Leichtmetalls sehr nahe. Ferner haben diese Legierungen eine überraschend hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Festigkeit gegen das hämmernde Arbeiten der Ventile. Im übrigen zeichnen sie sich auch durch einen guten Verschleißwiderstand aus.
Die Legierung kann auf dem üblichen Schmelz-oder Sinterweg hergestellt werden. Die als Guß- oder Sinterlegierungen vorliegenden Werkstoffe lassen sich zu Halbzeugen verarbeiten, aus denen nach einer Knetbehandlung sowohl in der Kälte als auch in der Wärme Ringe für den Sitz von Ein- und und Auslaßventilen für Brennkraftmaschinen oder Kompressoren oder dergleichen Maschinenteile gefertigt werden können.

Folgende Zusammensetzungen haben sich für Ventilsitzringe bewährt:

1. 5,5 % Al 2. 7,3 0/0 Al 3. 7,5 % Al

3 s/o Fe 4,9 % Fe 5 % Fe

3 6/o Ni 5,2 0/0 Ni 5 % Ni

0,2% Cr 0,1% Cr 12% Mn

0,4% Zr 0,10/0 Zr 0,1% Cr

1% Mn 0,2% Mn 0,2% Zr

0,2 Pb Rest Cu 0,46/o Zn

Rest Cu Rest Cu

4. 8,80/0 Al 5. 7,201o Al 6. 80% Al

5,8 % Fe 5 % Fe 2 % Fe

5,96/o Ni 3 % Ni 26/o Ni

0,2% Cr 3 % Co 2,5 % Si

0,4% Zr 0,11/o Cr 0,1'% Cr

0,4 % Mn 0,2 % Zr 0,2 % Zr

0,3% Zn 0,5a/0 Mn 0,20/0 Mn

Rest Cu Rest Cu Rest Cu

Sie können sowohl im Gußzustand als auch im kalt- oder warmgekneteten Zustand Verwendung finden. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäßen Bronzen einer an sich bekannten Wärmebehandlung mit oder ohne vorgeschalteter Kaltverformung zu unterwerfen, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Schlagbeanspruchung noch verbessert wird. Das Verfahren besteht in einer Glühung des Werkstoffes bei Temperaturen zwischen 250 und 700° C, insbesondere bei 600° C, während einer Zeitdauer von 1 bis 50 Stunden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Aluminiumhaltige Mehrstoffbronzen, die sich insbesondere durch hohe Warmfestigkeit und chemische Beständigkeit, vor allem auch gegen den Angriff durch Bleitetraäthyl auszeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen folgende Zusammensetzung aufweisen 5 bis 9 % Aluminium, 2 bis 6% Eisen, 2 bis 6% Nickel, das gegebenen- falls ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt sein kann, 0,05 bis 0,5% Chrom, 0,01 bis 0,5% Zirkonium, gegebenenfalls bis 31/o Silizium, gegebenenfalls bis 1% Blei, gegebenenfalls bis 1% Zink und/oder gegebenenfalls bis 15 0/ö Mangan, Rest Kupfer.

2. Verfahren zur Wärmebehandlung der Mehrstoffbronzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach gegebenenfalls vorgeschalteter Kaltverformung in an sich bekannter Weise einer Glühbehandlung bei Temperaturen zwischen 250 und 700° C über eine Zeitdauer von 1 bis 50 Stunden unterworfen werden. 3. Verwendung der Legierungen nach den Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für Gegenstände, die sich außerdem noch durch gute Wärmeleitfähigkeit, hohen Verschleißwiderstand und Zunderbeständigkeit auszeichnen, wie z. B. für Ventilsitzringe, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von Bleitetraäthyl aufweisen müssen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 657 036; britische Patentschriften Nr. 674127, 744 523.