DE1758821C2

DE1758821C2 - Lagerlegierungen aus Weißmetall auf Zinnbasis

Info

Publication number: DE1758821C2
Application number: DE1758821A
Authority: DE
Inventors: Nobukazu Nagoya Morisaki (Japan)
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1968-08-14
Publication date: 1974-03-14
Also published as: DE1758821B1; BE719520A; US3563732A; GB1194069A

Description

Die Erfindung betrifft Lagerlegierungen aus VVeiO-metall auf Zinnbasis.

Legierungen, welche Zinn als Basismetall und Antimon und Kupfer als Zusatz enthalten, werden ali^, mein für Lagerlegierunpen verwendet. Lagerlegie rungen aus Weißmei Jl auf Zinnbasis werden mit einer Stahlunterlage als Lagerausguß verwendet und bei Lagern für hohe Geschwindigkeit und schwere Belastung aufgebracht. Diese Legierungen haben einen derartigen Aufbau, daß Cu_nSn₀ als nadelige Kristallite (f-Phase) und SbSn als quadratische Kristallite (,'-Phase) in einer weichen Grundma'se verteilt sind. Eine derartige v.cichc Grimdmasse ist hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften als Lager hervorragend. Die Vertiäglichkeit mit der Oberfläche eints¹ drehenden Welle se-wie die oben angeführten, verteilten harten Bestandteile sind ebenfalls ausgezeichnet hinsichtlich Verschleißwiderst;:· nd un '. Belastungsvermögen, und eine Kombination davon erzeugt die günstigen Merkmale der bekannte) Weißmetall-Lagerlegierung.

Jedoch haben diese Weißmetallegierungen nicht immer die erwünschte hohe Dehnung. Warmfestigkeit und Dauerfestigkeir. In neuester Zeit weiden Schiffsdieselmotoren in immer größeren Ausführungen hergestellt, so daß hohe Dehnung. Warmfestigkeit und Dauerfestigkeit gefordert werden. Die Erfindung soll eine derartige Lagerlegierung aur Weißmetall auf Zinnbasis schaffen, um diesen Erfordernissen zu genügen.

Im allgemeinen haben Lagerlegierungen aus Weißmetall auf Zinnbasis eine Zusammensetzung wie z. B. 78 bis 92% Zinn (Sn), 5 bis 13% Antimon (Sb), 3 bis 9% Kupfer (Cu) und 0 bis 4% Blei (Pb).

Davon wird eine Legierung, welche ungefähr 83% oder mehr Zinn, aber kein Blei enthält, als Lagerlegierung für durch hohe Geschwindigkeit und schwere Belastung beanspruchte Lager verwendet. Diese Legierung neigt jedoch dazu. Risse auf Grund der schweren Dauerbelastung zu entwickeln. Bei dieser Legierung ist die Ermüdungsgrenze wegen ihrer relativ niedrigen Schlagfestigkeit niedrig. Es ist deshalb unmöglich, eine derartige Legierung für Lager von großen . Schiffsdieseln zu verwenden, welche gioßen Dauerbelastungen und insbesondere einer großen Schlagbeanspruchung unterworfen sind. Es ist bekannt, daß bei Lagerlegierungen die Rißbildung von der Zugfestigkeit, die Schlagfestigkeit von der (Bruch-)Dehnung und die Rißausbreitung hauptsächlich von der Feinheit de^ Gefüges abhängen. Es ist deshalb möglich, die Rißentstehung durch Erhöhung der Zugfestigkeit der Legierung zu verhindern, den Widerstand gegen Schlagbeanspruchung durch Erhöhung der Bruch-Dehnung und den Widerstand gegen die Rißausbreilung durch feine Ausbildung des Gefüges zu erhöhen, d. h. eine kleine Korngröße der Kristalle in den f- und /J-Phasen herzustellen.

Die Abschreckung von hoher Temperatur ist ein bekanntes Verfahien, um das Gefüge des Lagerweißmetalls auf Zinnbasis fein zu gestalten. Jedoch »-in; diese Legierung gewöhnlich auf ein Unieilagenrnateiia! aus Stahl geschmolzen und geschweißt, um sie daran zu befestigen und um auch ihre Festigkeit als Lager /u verstärken. Deshalb ist in dem Fall, wo eine dickwandige Stahlunterlage verwendet wird, eine schnelle Kühlung schwierig, so daß es unmöglich ist, das Gefüge fein auszubilden. Dies wird noch mehr bei sehr aroßen Lagern deutlich, die für große Schiffsdiesel verwendet werden. Um diese t- und /Whasen kk-ii: auszubilden, hat man auch versucht, andere Elemente hinzuzufügen. Als Folge davon ergab sich die Zugabvon Elementen wie Cadmium (Cd), Baryllium (Be), Chrom (Cr), Tellur (Te), Kobak (Co) u. dgl.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, L-^u; rungen mit erhöhter Zugfestigkeit, um die im Betrieb verursachten Risse zu verringern, mit erhöhter Dehnung, um hohe Schlagfestigkeit hervorzubringen, iir.o mit hohem Ermüdungswiderstand auf Grund des K-inkorngefüges als Ergebnis der Zugabe von Cadmii:r,-Beryllium und Chrom zu dem Weißmetall auf Z.innbasis zu schaffen.

Die eriindungsgemäße Legierung auf Zinnbasis besteht aus 3 bis 9% Kupfer. 5 bis 13% Antimon, 0.1 bis 1,5% Cadmium, 0,001 bis 0,1% Beryllium. 0.005 bis 0,2% Chrom, Rest Zinn und unvermeidliche Veiunreinigungen (sämtliche Prozentangaben stellen Gewichtsprozente dar).

An Hand der Zeichnung werden die Grundlagen und beispielsvveisen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht

F i g. 1 ist ein Diagramm, welches die Abhängigkeit zwischen der Menge von zugegebenem Cadmium und der Zugfestigkeit der Legierung in dem Fall zeigt, wo Cadmium zu einer gewöhnlichen Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, welche 4% Cu, 9% Sb und 87% Sn enthält, zugegeben wird;

F i g. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der zugegebenen Cadmiummenge und der Dehnung dieser Legierung zeigt;

F i g. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der zugegebenen Berylliummenge und der Dehnung der Legierung zeigt;

F i g. 4 ist ein ähnliches Diagramm, welches die Beziehung zwischen der zugegebenen Berylliummenge und der Zugfestigkeit der Legierung zeigt;

F i g. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen zwei Legierungen mit verschiedenen Menger von zugesetztem Beryllium und den Änderungen dei Dehnung der Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnba.iis der Erfindung in Abhängigkeit von der Meng« des zugesetzten Chroms zeigt;

F i g. 6 ist ein ähnliches Diagramm, welches di{ Beziehung zwischen der zugesetzten Chrommenge unc der Zugfestigkeit der Legierung zeigt;

F i g. 7 ist ein hundertfach vergrößertes Schliffbild welches die Zusammensetzung einer gewöhnlicher Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis zeigt;

F i g. 8 ist ein hundertfach vergrößertes Schliffbild das die Zusammensetzung des erfindungsgemäßer Lagermetalls aus Weißmetall auf Zinnbasis zeigt;

In F i g. 1 ist gezeigt, daß im Falle der Zugabe voi Cd zu einer Legierung, welche 4% Cu, 9% Sb un<

<t

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S7"/„Sn enthüll, die ZugfchtigkeiL erhöht wird, wenn mil einem Zusatz von 0,02% Be. Ohne Cr-Gehalt hai die Menge des zugesetzten Cd erhöht wird, und zwar sie eine Deliniug von ungefähr 7,5% entsprechend

ei höht das Zusetzen von 1,5% Cd aie Zugfestigkeit der Zunahme der Cr-Menge, jedtich nimmt die Deh-

his zu ungefähr llkp/mm-. Jedoch verringert dio nung zu his zu 14%, durch den Zusatz von 0,1 % (r.

Zugabe von 1 % oder mehr Cd die Dehnung (F i g. 2) 5 wie durch die Kurve.·) gezeigt wird. Wie weiterhin

t-.eirächiHch und die_Härte steigt bis ungefähr 40 Hv. durch die Kurve B gezeigt wird, nimmt in dem Falle.

I· i g. 2 zeigt die Änderung der Dehnung für den daß die Legierung auf Zinnbasis mit einem Gehalt von

Fall, daß Cd zu der ähnlichen Legierung zugesetzt 1 %, Cd und 0,05%, Be versehen ist. die Dehnung he-

rtird, und wie darin hinsichtlich der Dehnung klar träditlich mit dei Zunahme von Cr zu, und durch Zu-

uezeigt wild, erniedrigt die Zugabe von Cd über 1% io setzen von 0.1% Cr übersteigt sie 17%. Dies ent-

rder mehr die Dehnung beträchtlich, so daß es \urzu- spricht eindeutig der Dehnung in dem Fi>ll, wo Be

• iehen ist, nicht mehr als 1,5% Cd zuzugeben. Frfin- allein der Legierung zugesetzt wird. Dies bedeutet. Jungsgemäß werden daher 0,1 bis 1,5% Cadmium dety daß die mit der Zugabe von Cd verbundene Abseni.egierung zugesetzt, wodurch die Zugfestigkeit der kung der Dehnung durch die gleichzeitige Zugabe Legierung heträchtiicli erhöht wird. 15 von Cr aufgehoben wird.

Der erfindungsgemäßen Legierung werden weiterhin F i g. 6 stellt den Zustand der Zugfestigkeit für den

• ■001 bis 0,1% Beryllium zugesetzt. Dadurch nimmt Fall dar, wo Cr einer Legierung von 3,8% Cu, 8,7% Sb. ,'ie Zugfestigkeit nicht sehr stark zu, die Dehnung je- l%Cd, 0,02 bis 0,05% Be ium Erreichen der zu-

L-h wird beträchtlich erhöht. sammengesetzten Wirkungen von Cd, Be und Cr zu-

F- i g 3 zeigt die Änderimg der Dehnung für den 30 gesetzt wird in der Figur i^r,t gezeigt, daß die Zdg-

. il, daß Beryllium der Legierung zugesetzt wird, und festigkeit dieser Legierung oh, : den Cr-Gehalt unge-

e aus Fig. 3 klar hervorgeht, nimmt dieDehnung fähr 11 kp/mm² beträgt. Diese Zigfestigkeit ist nicht

i: Verhältnis zu der zugesetzten Be-Menge zu. mid niedriger als die Zugfestigkeit in dem Fall, wo 1 % Cd

.-Λ.-u weist eine Legierung, die 0,04% Be enlhäii. und 0,1 % Be zugesetzt sind, sie zeigt jedoch eher einen

■ i'efähr 17% Dehnung auf, während eine Legierung 35 leicnten Anstieg und weiterhin, daß dieser Effekt der

i-ne Be-Gehalt ungefähr 10% Dehnung aufweist. Zunahme der Zugfestigkeit in dem Cd-Gehalt nicht

'.-. ciierhin werden entsprechend der zugesetzten Menjc durch die Zunahme an Cr-Gehalt verhindert wird.

"-, Beryllium die «-Phase (CUjSn₃) und die //-Phase Das Zusetzen von Cd hat die Wirkung, daß die Zug-

■ >Sn) fein gestaltet, festigkeit erhöht wird. In dem Fall jedoch, wo die

Bei der Erfindung werden der Legierung 0,005% bis 30 Menge 1 % überschreitet, wird die Dehnung beträch!- ■''..':% Chrom zugesetzt, wodurch sich kein wes-'.nt- lieh erniedrigt, so daß die Cadmiummenge stets in ^; cner Anstieg in der Zugfestigkeit ergibt, jedoch wird gegenseitiger Abstimmung im Hinblick auf die Zugige Dehnung erhöht und auch die ε-Phase beträchtlich festigkeit und Dehnung bestimmt werden muß. Um feiner gestaltet. eine Abnahme der Dehnung zu vermeiden, ist es vor-

Erfindungsgemäß ist es möglich, eine hervorragende 35 zuziehen, daß Cd in einer Menge von nicht mehr als

Lagerlegierung aus Weißmetall durch die zusammen- 1,5% zugesetzt wird. Die Zunahme an Zugfestigkeit

gesetzten Wirkungen von Cd, Be und Cr herzustellen. beginnt bei einem Zusatz von 0,1 % Cd, so daß es vor-

Diese Wirkungen werden nachfolgend erläutert. zuziehen isi, die Menge von Cd in dem Bereich von 0.1

Fig.⁵ stellt die Änderung der Dehnung ent- bis 0,5% zu wählen.

sprechend dem Zusatz von Cr dar, wobei der Einfluß 40 Obwohl beim Lösen von Beryllium in der Legierung von Cr auf die Dehnung durch zwei Beispiele von große Veiluste auftreten, ist schon bei einer Zugabe 0.05% Be bzw. 0,02% Be gezeigt wird, das den Le- von 0,001 % Beryllium eine Zunahme der Dehnung ergierungen zugesetzt wird, welche aus 3,8% Cu, kennbar. Die Dehnung nimmt im Hiüulick auf die Er-8.7% Sb, 1,0% Cd und 86,5% Sn bestehen. Die höhung der Be-Menge zu, jedoch wird jenseits des Kurve Λ in F i g. 4 stellt die Beziehung zwischen der 45 Bereichs von 0,05% keine bedeutende Zunahme erzugesetzten Cr-Menge und der Dehnung für den Fall zeugt. Jedoch wird durch die Zugabe von Be die dar, daß der Legierung 0,02 % 3e zugesetzt sind. Die ε-Phase und /?-Phase fein gestaltet, so daß Be bis hinauf Kurve B stellt die Bc-iehung für den Fall dar, daß zu 0,1% in dem Bereich zugesetzt werden kann, in 0,05% Be dieser Legierung zugesetzt sind. Wie oben welchem die Zugfestigkeit nicht wesentlich verringert ausgeführt und wie in F i g. 2 klar gezeigt, ergibt der 50 wird. Der Zusatz von mehr als 0,1 % Be macht das Zusatz von 1,0% Cd eine Abnahme der Dehnung. Gefüge grob, was deshalb eine umgekehrte Wirkung F i g. 5 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Cr Iiervorruft.

für die Grundlegierung zeigt, der 1 % Cd zugesetzt ist. Die ε-Phase wird durch die schwache Zugabe von Cr Das heißt für den Fall, daß kein zugesetztes Cr vor- ausgesprochen fein. Im Fall der Zugabe von 0,2%, liegt, beträgt die Dehnung ungefähr 7,5%. Eine 55 oder mehr ergibt sich jedoch keine erkennbare Ände-Cu-Sb-Sn-Legierung ohne Cd-Gehalt hat eine Deh- rung. Jenseits jenes Bereiches nehmen die Dehnung llung von ungefähr 10%· Dies zeigi, daß die Dehnung und die Zugfestigkeit durch Alterung ab, so daß die der ersteren Legierung niedriger ist als die der letzteren Menge von 6,2% die obere Grenze ist.
und daß jedoch durch Zusetzen von Cr die Dehnung, Um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Lager· wie in F i g. 5 gezeigt, erhöht wird. Der Zusatz von Cd 60 legierung mit denen von herkömmlichen Lagerleist nötig, um die Zugfestigkeit zu erhöhen, und es ist gierungen aus Weißmetall auf Zinnbasis zu vergleichen, daher bei der Erfindung ein wesentliches Element. Die wurden in den Labors der Anmelderin chemische Abnahme der Dehnung auf Grund der Zugabe dieses Analysen und Materialprüfungen vorgenommen, deren Cd wird aufgehoben durch die Zugabe von Cr, und Ergebnisse in d\.^Dr nachfolgenden Tabelle zusammendarüber hinaus erhüht das Zugeben von Cr die Deh- 6j gestellt sind. Als Vergleichslegierungen wurden dabei nung einer Legierung auf Zinnbasis, welche Kupfer im Handel erhältliche Legierungen verwendet, deren und Antimon enthält. Die in F ig. 5 gezeigte Legierung Handelsname und Herstellerfirma ebenfalls in der besteht aus 3,8% Oj, 8,7% Sb, 1,0% Cd, 86,5% Sn Tabelle angegeben sind.

Herkömmliche
Legierungen

Erfindungs-

gemälAc

Legierung

Sn

Chemische Z
Cu Sb CiI

Be

("/») Cr Co Ni

Ag

Rest 3,71 7,06
Rest ι 5,43 9.53
Rest 3.16 ' 7.15 1.0

Rest 3.29 8,73 1.3

Rest 3,81 8.54 0.75 0.01 0,10

0.04 0,45 - 0,08 I 0,0<)

0.12 i 0,11

Materialeigenschaften	Zug- cstig- kcil	Deh nung	Härte	Bemerkung
(bei .1O¹C	g/mm»	■/,	Hv
7.6	18.0	24,9
8.7	8.1	28,2
8.6	18,4	28,0	Super Metal
			»Hy« der
			Shichiho Metal
			Kogyo K. K.
10.0	14,4	32,4	NiimberEleven
			»R« der The
			Hoyt Metal
			Co., Großbrit.
11.1	18.8	31,9

Wie klar aus der oben gezeigten Tabelle hervorgeht, ist die erfindtingsgemäße Legierung der herkömmlichen Legierung hinsichtlich Zugfestigkeit (kp/min²). Dehnung (%) und Härte (Hv) überlegen.

Eine Lagerlegicrung aus Weißmetall auf Zinnbasis wird gewöhnlich an der Oberfläche des Untcrlagenslahlmaterials durch Gießschweißung aufgebracht, so daß die Schweißbat keil eine der wesentlichen Eigenschaften dieser Legierungen ist. Um zu verhindern, daß das Gefüge grob wild, ist es besser, unmittelbar nach dem Gießen abzuschrecken. Eine derartige Abschrcckbehandiung führt zu Spannungen bzw. Formändetungen und bei den bekannten Weißrnctall-Lcgicrungen zu dem Abschälen von dem Untcrlagenniaterial und zu einer Schwereseigerung. Erfindungsgernäß wird das Gefüge auch ohne Abschrecken nach dem Gießen fein gestaltet. Wenn die Abschreckbehandiung aber zusätzlich angewendet wird, wird das Gefiige noch feiner gestaltet. Die Zugabe von Be und Cr hai auch die Wirkung, daß das Abschälen von dem Unterlagenmaterial verhindert wird.

Die erfindungsgemäße Legierung ist in ihren mechanischen Eigenschaften den herkömmlichen Legierungen überlegen, und ihre Datierfestigkeit, einer der wesentlichen Faktoren der Legierung, ist ebenfalls hervorragend. Sie wurde dutch einen ununterbrochenen Versuch bei dynamischer Rotationsbelastung.

t-> wie nachstehend gezeigt, geprüft. Das Ergebnis dieses Versuchs lautet wie folgt.

Die Prüflagcr wurden jeweils durch Verbundgießen auf Stahlunterlagen mit Probenlegierungen mittels eines Schleudcrgußverfahrens Hergestellt, bei welchem der Innendurchmesser des Lagers 68 mm, die Breite 31 mm und die Dicke der auskleidenden Legierung 0,3 mm betrug. Die Anzahl der Umdrehungen der Welle war 3000 UpM, die Umfangsgeschwindigkeit betrug 9.7 m/Sek.. die Lagerbelastung war 250 kg/cm-.

Die Welle wurde kontinuierlich gedreht bei Zwangsschmierung des Lagers, und die Ermüdungsgrenze wurde als die Zeit festgelegt, bei welcher der Bereich der Rtßentwicklung 10 .-[. 5% der gesamten projizierten Fläche der Lageroberfläche erreicht.

Die für die Prüflager verwendeten Probenlegierungen sind die gleichen wie in der vorhergehenden Tabelle, stammen jedoch aus anderen Schmelzen. Ihre Zusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle angegeben, wobei bei den herkömmlichen Legierungen zur groben Kontrolle die chemische Analyse nur in bezug auf die Hauptlegierungselemente Cu, Sb und Cd durchgeführt wurde.

	C	8.3 ; 8.7 6.6	Zusammensetzung, % Cd ; Be	0,004 0,004	Cr	Sn
Erfindungsgemäße Legierungen Nr. 1 ...	3.5 3.2 3,2	10.0 ! 6,7	0,47 0,71	—	0,03 0,005	Rest Rest R p<;t
Nr. 2 ...	5,0 4,1	', 0.78	—	Rest Rest
Herkömmliche Legierungen Nr. 1 ....
Nr. 2 ....
Nr. 3 ....

In dem oben angeführten Versuch hatte die Legierung Nr. 1 der Erfindung keinen erkennbaren Riß nach 50 Stunden. Die Legierung Nr. 2 der Erfindung hatte ebenfalls nach 59 Stunden keine erkennbare Rißen'.wicklung. Andererseits wurde ein derartiger Riß. um der vorhergehenden Bedingung zu entsprechen, bei dei herkömmlichen Legierung Nr. 1 nach 13 Stunden erkannt, was offensichtlich die Ermüdungsgrenze anzeigte.

Ähnlich erreichte die herkömmliche Legierung

Nr. 2 die- Eimüdungsgrenze nach 15 Stunden. Bei der herkömmlichen Legietung Nr. 3 mit dem 0,78-%-

Cd-Gehalt zeigte sich ein Riß nach 48 Stunden, wobei

ihre Lebensdauer um das Dreifache verlängert wurde

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im Vergleich mit anderen Legierungen, die kein Cd enthalten, was den Einfluß von Cd erkennen läßt. Alle crfindungsgemäCen Legierungen jedoch zeigten keine Ermüdung bis 50 Stunden, was das Ergebnis der Zugabe von Be bzw. Cr mit Be ist.

Wie oben angeführt, werden eriindungsgemäß die f-Pht-i:i und die /M'hasc c'urch den Zusatz von Be fein gestaltet. Die p-Phase wird durch gleichzeitige Zugabe von Cr fein gestaltet. Das entsprechende Schliffbild

dieses Gefüges ist in F i g. 8 gezeigt. Das ähnliche Gefüge der herkömmlichen Legierung ohne die Cd-, Be- und Cr-Gehalte ist in F i g. 7 gezeigt. Beide Bilder sind in hundertfacher Vergrößerung gezeigt, in der eindeutig ausgewiesen ist, daß der quadratische Kristall (/?-Phase) ausgesprochen klein im Vergleich mit der in F i g. 7 gezeigten herkömmlichen Legierung ist. Die nadeiigen Kristalle (s-Phase) sind ebenfalls ausgesprochen fein gestaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Lagerlegieruiig aus Weißmetall auf Zinnbasis, bestehend aus 3 bis 9% Kupfer, 5 bis 13% Antimon, 0,1 bis 1,5¹Vo Cadmium, 0.001 bis 0,1% Beryllium, 0,005 bis 0.2% Chrom, Rest Zinn und unvermeidliche Verunreinigungen.