DE2140749A1

DE2140749A1 - Bei hoher Temperatur verschleissfeste Sinterlegierung

Info

Publication number: DE2140749A1
Application number: DE19712140749
Authority: DE
Inventors: Itaru Nagoya; Hashimoto Kametaro; Ushitani Kenzi; Ishihara Ko; Serino Yoichi; Toyota Aichi; Mitani Seishu Kyoto; Imanishi Kunizo Nagoya Aichi Niimi (Japan). P
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-08-13
Publication date: 1972-07-13
Also published as: US3776705A; DE2140749C3; DE2140749B2; GB1330746A; JPS4812604B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupfersinterlegierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleissfestigkeit bei hohen Temperaturen und insbesondere eine Legierung, die sich zur Herstellung von Ventilsitzen für Brennkraftmaschinen, bei denen bleifreies Benzin als Brennstoff verwendet wird, eignet.

Gusseisen, warmfester Stahl und Kupferlegierungen.und dgl. wurden bisher als Hauptmaterialien für Ventilsitze verwendet. Diese Materialien haben jedoch den Nachteil, dass die Schrnierwirkung des Bleis bei Verwendung von bleifreiem Benzin als Brennstoff nicht vorhanden ist und der Verschleiss des Ventilsitzes hierdurch erheblich erhöht wird. Die Leistung der Maschine fallt in einem solchen Ausmass ab, dass diese Materialien für die Herstellung von Ventilsitzen nicht brauchbar sind.

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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer Sinterlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Versehleissfestigkeit bei hohen Temperaturen zur Ausschaltung der oben ge-. nannten Nachteile. Es wurde nun gefunden, dass für den vorgesehenen Zweck eine Sinterlegierung ausserordentlich gut geeignet ist, bei der Chrom (Cr) in einer blockartigen Verteilung in einer Matrix aus Kupfer (Cu) und Zinn (Sn) dispergiert ist und die Kupfer als Hauptbestandteil und 5 bis 15 Gew.-^ Zinn und 4 bis 25 Gew.-% Chrom enthält und auf mehr als 88 % des theoretischen Dichteverhältnisses gesintert ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft Sinterkupferlegierungen mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und Verschleissfestigkeit" bei hoher Temperatur. Diese Legierungen eignen sich ganz besonders gut zur Herstellung von Ventilsitzen, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden.

Die erfindungsgemässen Legierungen sind Sinterlegierungen, die bei hoher Temperatur Versehleissfestigkeit besitzen und die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie 5 bis 15 % Zinn und 4 bis 25 % Chrom enthalten, wobei der Rest Kupfer ist und wobei die Legierung auf mehr als 88 $ des theoretischen Dichteverhältnisses gesintert ist.

Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine mikrophotographische Darstellung der Zusammensetzung einer erfindungsgemässen Legierung, wobei die Matrix eine Kupfer-Zinn-Legierung ist und die blockartigen Teile Chrom sind.

Die erfindungsgemässen Sinterlegierungen sind Legierungen, in denen Chrom in einer blockähnlichen Verteilung in einer Matrix aus Kupfer und Zinn dispergiert ist, wie die in der Zeichnung gezeigte mikrophotögraphisehe Darstellung zeigt. Die erfindungsgemässen Legierungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie Kupfer

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als Hauptbestandteil und 5 bis 15 Gew.-^ Zinn und 4 bis 25 Gew.-^ Chrom enthalten. Jede erfindungsgeraässe Legierung ist auf mehr als 88 % des theoretischen Dichteverhältnisses gesintert.

Die erfindungsgemässen Sinterlegierungen haben ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Verschleissfestigkeit bei hoher Temperatur. Sie eignen sich besonders" für Ventilsitze in den Fällen, in denen bleifreies Benzin verwendet wird. Diese Legierungen eignen sich auch sehr gut als Ventilsitze für Maschinen, bei denen LPG (Flüssigpropangas) als Brennstoff verwendet wird und bei denen die Arbeitsbedingungen schwieriger als im Falle der Verwendung von gebleitem Benzin sind. Die Legierungen können auch zur Herstellung von Lagern verwendet werden, insbesondere in den Fällen, bei denen die Lager hohen Temperaturen ausgesetzt sind oder hohe Temperaturen erreichen können.

Die Wirkung und der Grund des Vorhandenseins eines jeden Bestandteils der erfindungsgemässen Legierungen sind die folgenden.

Unter den Bestandteilen der erfindungsgemässen Sinterlegierungen ist Kupfer-Zinn als Sinterbronze bekannt und wurde seit langem als Lagermaterial verwendet. In diesem Bestandteil trägt das Zinn zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und Verschleissfestigkeit der Legierung bei. Wenn der Zinngehalt geringer als 5 % ist, so ist dessen Wirkung geringer, und wenn der Zinngehalt mehr als 15 % beträgt, sinkt die mechanische Festigkeit der Legierung beträchtlich ab. Auch wird die Fähigkeit, Chrom zu halten, herabgesetzt. Der Zinngehalt wurde daher auf 5 bis 15 % festgesetzt.

Chrom vermindert die Härte der Legierung selbst bei hoher Temperatur nicht. Es bildet bei hoher Temperatur Chromoxyd und hat · die Tendenz, den Reibungskoeffizienten herabzusetzen und somit die Verschleissfestigkeit der Legierung zu erhöhen. Wenn der Chromgehalt jedoch geringer als 4 % ist, ist dessen Wirkung auf die Legierung nicht merklich und wenn der Chromgehalt auf 55 fo erhöht wird, besitzt das Chrom die Tendenz, die Festigkeit der

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Legierung herabzusetzen, obgleich es die Verschleissfestigkeit verbessert. Der Chromgehalt wurde daher auf bis zu 25 % festgesetzt.

Wenn die "Dichte der Legierung geringer als 88 % der theoretischen Dichte innerhalb des oben genannten Zusammensetzungsbereiches ist, so ist die WärmeStrahlungswirkung bei hoher Temperatur geringer,und es tritt eine dauernde Spannungsbeanspruchung auf, die die Legierung unbrauchbar macht. Aus diesem Grund wurde die Dichte auf mehr als 88 % festgesetzt.

In den erfindungsgemässen Sinterlegierungen ist hartes Chrom, das ausgezeichnete Verschleissfestigkeit bei hoher Temperatur besitzt, in einer blockartigen Weise in einer vergleichsweise weichen Matrix aus Kupfer-Zinn dispergiert, die gute Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete Verschleissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzt. Eine entsprechende Materialfestigkeit ergibt sich aus dem Vorhandensein von zwei Phasen, einer harten und einer weichen, und dieses Matex'ial hat besonders bezüglich Verschleissfestigkeit bei hoher Temperatur ausgezeichnete Eigenschaften.

Ausserdem trägt die Erhöhung der Dichte der Legierungen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bei hoher Temperatur unter hoher Belastung und zur Verhinderung einer dauernden Spannungsbeanspruchung bei.

Die erfinungsgemässen Sinterlegierungen, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen, sind ausserordentlieh gut für Ventilsitze geeignet, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden und ganz besonders für Brennkraftmaschinen, bei denen bleifreies Benzin oder LPG als Brennstoff verwendet wird. Diese Legierungen sind auch als Lagermaterialien, beispielsweise für heisse Walzen geeignet. Ausserdem sind die erfindungsgemässen Materialbestandteile und das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren ausserordentlieh einfach, was den Vorteil besitzt, dass eine gleich-

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bleibende Qualität selbst bei Massenproduktion leicht erzielbar ist.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung. " ■

Beispiel 1

Elektrolytkupferpulver mit einer Teilchengrösse unter 1OÖ mesh, Zinnpulver mit einer Teilchengrösse unter 100 mesh und Elektrolytchrompulver mit einer Teilchengrösse unter 200 mesh werden so miteinander vermischt, dass sie in Mengen von J6 Gew.~% Kupfer, 12 Gew.-% Zinn und 12 Gew.-% Chrom vorliegen. Anschliessend werden die Pulver zu einem Körper mit einer Dichte von 7>3 g/cnr

unter einem Formdruck von 5 t/cm geformt. Dann wird der Formkörper bei 86o°C 1 Stunde in einer neutralen Gasatmosphäre gesintert, und der Sinterkörper wird erneut unter einem Druck von 7 t/cm gepresst, um die Dichte auf 7*9 g/cm-⁷ zu erhöhen.

Beispiel 2

Die gleichen Pulver wie in Beispiel 1 werden so miteinander ver mischt, dass sie in Mengen von 84 Gew.-$> Kupfer, 8 Gew.-% Zinn und 8 Gew.-^ Chrom vorliegen. Nach dem Mischen der Pulver wird das Gemisch unter einem Druck von 5 t/cm zu einem Körper geformt, der eine Dichte von 7*5 g/cnr aufweist. Der Formkörper wird in einer reduzierenden Gasatmosphäre bei 86o°O 1 Stunde ge sintert, und der so erhaltene Sinterkörper wird erneut unter einem Druck von 7 t/cm gepresst, um seine Dichte auf 8,1 g/cnr zu erhöhen.

In der nachfolgenden Tabelle sind Versuchsergebnisse bezüglich der Eigenschaften und Verschleissfestigkeit der nach den Ar- , beitsweisen der Beispiele 1 und 2 erhaltenen Legierungen und solche von üblichen Legierungen angegeben.

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Tabelle

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Legierungs- typ	Bei spiel 1	Prozentsatz der Bestand teile (Gew.-^)	Zugfe stig keit ό kg/mm	Härte HV(O,2)	Ver- schleiss (mm)
erfin- dungsge- mässe Le gierung	Bei spiel 2	76CU-I2 Sn-12Cr	20	400-450 (block artiges Cr) 120 (Matrix)	0,50
Ver gleichs probe	Spezial Guss eisen	84Cu-8Sn -8cr	25	400-450 (block artiges Cr) 103 (Matrix)	0,81
Gussle gierung	Fe-3,5C- 2,5Si-IMn -0,5P-Ö,5Cr -0,5Mo-0,1V	40	25Ο-3ΟΟ	5,38
50Fe-50Cu	70	187	4,75

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In der Tabelle ist der Verschleiss durch die Versohleissmenge in mm in Richtung der Höhe der Probe angegeben, nachdem diese einer Prüfung in einem sogenannten Gleitschlagprüfgerät mit hohem Arbeitscyclus unterzogen war, das einen Mechanismus hat, bei welchem eine scharfkantige Probe, die an einer Aluminiumlegierung befestigt ist, mit 10 UpM bei einer Temperatur von 450 bis 500⁰C gedreht wird. Es werden auch 2500 Schläge je

Minute unter einem Oberflächendruck von 10 kg/cm mittels einer aus warmfestem Stahl hergestellten Anschlageinrichtung erteilt.

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Claims

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Patentansprüche

1 . Sinterlegierung mit Verschleissfestigkeit bei hoher Temperatur aus 5 bis 15 % Zinn und 4 bis 25 % Chrom, wobei der Rest Kupfer ist und wobei die Legierung auf mehr als 88 % ihres theoretischen Dichteverhältnisses gesintert ist.
2. Ventilsitz für Brennkraftmschinen, hergestellt aus einer Legierung nach Anspruch 1 *