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Verwendung von mangen- und siliziumhaltigen Kupferlegierungen für
auf Abnutzung beanspruchte Gegenstände Die Erfindung befaßt sich mit manganhaltigen
Kupferlegierungen, die als Werkstoff für Gegenstände verwendet werden, welche einer
hohen Abnutzung und großen Wechselbeanspruchungen unterworfen sind. Sie werden vorzugsweise
für die Fertigung von Gleitlagern, Synchronringen, Bremslamellen, Ventilführungen,
Zylinderbüchsen, Kurbelwellen und Kurbelstangen benutzt.
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Unter der Abnutzung sind die den Angaben in der DIN-Vorschrift 50
320 zu entnehmenden Eigenschaften, nämlich Reibung, Gleitung und Verschleiß, zu
verstehen.
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Gleitkörper laufen bekanntlich Gefahr, daß die Schmierung zeitweise
ausfällt. Einer Zerstörung der Gleitschicht kann in diesem Fall nur dadurch begegnet
werden, daß ein Werkstoff Anwendung findet, der sich durch gute Notlaufeigenschaften
auszeichnet und ein gutes Anschmiegen an den Gegenwerkstoff besitzt. Zusätzlich
unterliegen derartige Gegenstände, die nur spärlich oder überhaupt nicht geschmiert
werden, häufig auch noch zusätzlichen Schwingungen mit vielfach hohen Frequenzen,
die zu Geräuschen im Schall- oder Überschallbereich führen. Solche hochfrequenten
Schwingungen, die z. B. in Werkzeugmaschinen auftreten können, verursachen auf der
Oberfläche der Werkstücke Rattermarken.
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Maschinenteile, die einer Abnutzung ausgesetzt sind, unterliegen ferner
auch noch Wechselbeanspruchungen. Sie rühren beispielsweise von Lagerdrücken, Öldrücken,
Bremskräften oder Beaufschlagungen auf Kolben her und treten auch unter der Einwirkung
mechanischer Kräfte bei Pleuelstangen und Pleuellagern auf. Um der Einwirkung derselben
entgegenzutreten, müssen die in Frage kommenden Gegenstände außer einer guten Abnutzungsfestigkeit
auch noch eine hohe Wechselfestigkeit aufweisen.
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Zu der hohen Abnutzung gesellen sich weiterhin durch das Vorhandensein
von Nuten, Kerben, Bohrungen oder Querschlitzübergängen hervorgerufene Spannungsspitzen.
Gemessen wird die Kerbempfindlichkeit bekanntlich durch die Kerbwirkungszahl ßk,
d. h. durch den Quotienten aus der Wechselfestigkeit im glatten Zustand und der
im gekerbten.
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Um die Gleiteigenschaften zu verbessern, sind bekanntlich für die
Herstellung von Gleitkörpern, insbesondere für Lager, in die weiche Grundmasse des
Werkstoffes härtere Gefügebestandteile eingebettet worden, die dank ihrer Härte
die Abnutzung vermindern. Eine andere Möglichkeit zur Erzielung des gleichen Zweckes
besteht darin, weiche Gefügebestandteile, wie z. B. Blei oder Zinn, in eine homogene
Grundmasse einzubringen, so daß die ersteren beim Notlauf anschmelzen. Die Werkstoffe
mit weicher Grundmasse und harten Gefügebestandteilen greifen jedoch den Wellenwerkstoff
sehr stark an, weil sie nicht anschmiegsam sind. Außerdem haftet an den harten Kristallen
der Schmierfilm sehr schlecht, so daß nur mangelnde Notlaufeigenschaften vorhanden
sind.
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Zur Verbesserung der Wechselfestigkeit ist ferner auch schon von einem
möglichst homogenen Gefügeaufbau ausgegangen worden. Durch Zusätze, wie beispielsweise
Aluminium, Nickel oder Mangan, wurde der Mischkristall so verfestigt, daß eine höhere
Wechselfestigkeit, als sie im Ausgangszustand vorhanden war, eintrat. Diesen Werkstoffen
haftet jedoch der Nachteil an, daß die Wechselfestigkeit im gekerbten Zustand stets
viel kleiner ist als im glatten, d. h., die Kerbwirkungszahl A liegt wesentlich
über 1, meist zwischen 2 und 4.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, heterogene Werkstoffe
für Gleitkörper zu finden, die besonders anpassungsfähig sind und sich der Oberfläche
des Gegenwerkstoffes besonders gut anschmiegen und bei denen außerdem die Nachteile
der harten und unnachgiebigen Einlagerungen vermieden sind. Ferner sollen sie eine
große Unempfindlichkeit gegen Kerben bei wechselnder Beanspruchung haben. Weiterhin
wird verlangt; daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe eine hohe Dämpfungsfähigkeit
für Frequenzen im Schall- und Überschallbereich aufweisen. Diese Forderungen sind
erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß in der Grundmasse des Werkstoffes verhältnismäßig
niedriger Härte etwas härtere, aber keinesfalls harte Tragkristalle eingebaut sind,
deren äußere Begrenzung aus einem hexagonalen Prisma besteht und die zusätzlich
in Richtung ihrer Längsachsen einen Hohlraum aufweisen,
wodurch
die Kristalle elastischer, nachgiebiger und anschmiegsamer werden und sich deshalb
bei der Beanspruchung dem reibenden Gegenwerkstoff besser anzupassen vermögen.
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Weiterhin haben diese hexagonalen und hohlen Kristalle noch die Wirkung,
daß an ihnen die Schmiermittel besser absorbiert werden als an nicht hohlen Kristallen.
Ein solcher Werkstoff zeichnet sich ferner dadurch aus, daß die hohen Frequenzen
im Schall- und Überschallbereich außerordentlich stark gedämpft sind, so daß solche
Gleitkörper keine unerwünschten und schädlichen Schwingungen verursachen.
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Als besonders wirksam zur Erzeugung solcher hexagonalen Hohlprismen
haben sich Kupferlegierungen mit Mangan und Silizium erwiesen, in denen diese beiden
Bestandteile vorzugsweise in dem stöchiometrischen Verhältnis Mn.Si. mit einem Verhältnis
von Mangan zu Silizium wie 3,3: 1 vertreten sind. Die Größe der Kristalle
ist sehr verschieden. Sie kann von Bruchteilen eines Tausendstelmillimeters bis
etwa auf das Hundertfache desselben anwachsen. Die Mn5Si3 Kristallart scheidet sich
im Gefüge aus der Grundmasse aus.
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Kupfer-Mangan-Silizium-Legierungen dieser Art und die Abscheidung
der intermetallischen Verbindung Mn5Si. bei bestimmten, ohne weiteres zu ermittelnden
Verhältnissen ihrer Gehalte an Silizium zu Mangan sind an sich bekannt. Technisch
wurden bereits Bronzen mit 5 bis 12% Mn und 1,2 bis 3% Si verwendet, bei denen das
Verhältnis von Mangan zu Silizium etwa 4: 1 betrug. Diese Legierungen zeigten nach
Aushärtungsbehandlung zum Teil beachtliche Festigkeitseigenschaften. Die hohe Dämpfungsfähigkeit
bei gleichzeitig guter Anpassungsfähigkeit bei Beanspruchung und geringer Kerbempfindlichkeit
einer bestimmten Auswahl dieser Legierungen und die technische Ausnutzung dieser
Eigenschaften gehörten jedoch bisher nicht zum Stand der Technik.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe haben weiterhin den
Vorteil, daß Mangan und Silizium, die an sich die Wärmeleitfähigkeit sehr stark
herabsetzen und deshalb für Gegenstände, die auf Abnutzung beansprucht werden, schädlich
sind, in der erfindungsgemäßen Form als hexagonale Hohlkörper der Verbindung Mn,Si"
überraschend die Wärmeleitfähigkeit nur wenig vermindern. Die vorteilhafte Verwendung
der hexagonalen Hohlkörper aus Mn,Si3 wird nicht beeinträchtigt, wenn den Kupferlegierungen
noch bis zu 50% Zink, bis zu 11% Aluminium, bis zu 3 % Blei, bis zu 30 % Nickel
und bis zu 5% Eisen zugesetzt werden. Mangan und Silizium sind in folgenden Mengen
vertreten: 0,1 bis 2% Silizium, 0,33 bis 6,6% Mangan. Die Form der hexagonalen Hohlprismen
ist in den A b b. 1 a bis 1 c schematisch dargestellt. Im Gußzustand sind die Hohlprismen
meist regellos verteilt, so daß sich bei einem Schliff verschiedenartige Schnittfiguren
ergeben können. Durch Kalt- oder Warmverknetung tritt meist eine Regelung der Kristalle
derart ein, daß die Längsachse der Kristalle mit der Verformungsrichtung weitgehend
übereinstimmt.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen werden auf dem üblichen
Schmelzweg im Sandguß, Kokillenguß, Strangguß und Genauguß hergestellt und entweder
in diesem Zustand oder aber auch nach einer Kalt- und Warmverknetung zu Gegenständen,
die einer Abnutzung und wesentlichen Beanspruchung ausgesetzt sind, verarbeitet.
Es ist auch möglich, die Werkstoffe im Gußzustand oder während der Weiterverarbeitung
einer Wärmebehandlung zu unterziehen, die aus einem Glühen unterhalb der Soliduslinie
der Legierung mit nachfolgender Abkühlung und einer anschließenden Glühung im Temperaturgebiet
zwischen 200 und 600° C, vorzugsweise um 450° C, besteht. Vor oder nach dieser Wärmebehandlung
empfiehlt es sich, zwischen 200 und 600° C noch eine Kaltverformung vor- oder nachzuschalten.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können die nachstehenden
Zusammensetzungen aufweisen:
| o/o Cu o/o Mn VO Si o/o Al o/o Ni o/0 Pb °/o
Fe o/o Zn |
| 1 Rest 6,6 2,0 0,05 0,1 0,01 0,01 0,05 |
| 2 Rest 3,3 1,0 11,0 0,1 0,2 4,5 0,5 |
| 3 80 4,4 1,5 0,04 0,1 0,1 0,1 Rest |
| 4 68 3,3 1,0 0,05 0,05 0,3 0,1 Rest |
| 5 56 0,33 0,1 0,2 0,1 3,0 0,1 Rest |
| 6 58 1,65 0,5 2,5 1,0 1,0 0,8 Rest |
| 7 57 0,65 0,2 1,3 0,05 0,6 0,3 Rest |
| 8 50 1,65 0,5 0,1 12,0 0,1 0,1 Rest |
Die geringe Kerbempfindlichkeit wird an Hand eines Beispiels nach der Legierung
6 erläutert. Diese Legierung weist im verkneteten Zustand eine Streckgrenze von
32 kp/mm2 und eine Zugfestigkeit von 65,1 kplmm2 auf. Die Wechselfestigkeit am glatten
Stab bei 20: 108 Lastwechseln beträgt 18,1 kp/mm2 und die Wechselfestigkeit im gekerbten
Zustand
16,9 kp/mm2. Die Kerbwirkungszahl ßk beträgt demnach 1,07. Die ist
somit überraschend niedriger als bei einem üblichen Werkstoff gleicher Festigkeit,
bei dem die Kerbwirkungszahl zwischen 2 und 4 liegt. Im unverkneteten Zustand ergeben
sich noch günstigere Werte. Hier liegt die Wechselfestigkeit im glatten Zustand
bei
1.3,0 kp/mm2 und im gekerbten Zustand bei 16,0 kp/mm2. Die Kerbwirkungszahl
A
beträgt demnach etwa 0,8. Dieser Werkstoff ist somit den üblichen Werkstoffen
hinsichtlich der Kerbempfindlichkeit wesentlich überlegen und daher besonders in
einer Kombination von Wechselbeanspruchung und Abnutzung brauchbar.
Die
erhöhte Dämpfungsfähigkeit bei hochfrequenten Schwingungen wird am Beispiel der
Legierung 7 erläutert: Wird ein zylindrischer Körper, beispielsweise eine Stange
oder ein Bolzen, im gepreßten Zustand einer hochfrequenten Schwingung von z. B.
2 MHz unterworfen, so ist diese Schwingung bereits nach 5 cm Eindringtiefe so weit
gedämpft, daß sie an einer weiter entfernten reflektierenden Fläche nicht mehr zurückgeworfen
werden kann. Von dem eingeleiteten Überschallimpuls erfolgt somit kein Echo. Dagegen
tritt bei der gleichen Legierungszusammensetzung, jedoch ohne Mangan und Silizium,
unter den gleichen Bedingungen ein Ultraschallecho noch in mehreren Metern Entfernung
vom Eingangspunkt auf. Die Dämpfung ist dabei wegen des Fehlens der erfindungsgemäßen
Hohlprismen außerordentlich gering.