DE2145690A1

DE2145690A1 - Bei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis

Info

Publication number: DE2145690A1
Application number: DE19712145690
Authority: DE
Inventors: Itaru Nagoya; Kaneko Yasuhisa; Komiyama Yoshiro; Uchiyama Yoshiki; Takeda Yasuo; Maeda Shirou; Toyota; Aichi Niimi (Japan). P C22c 27-00
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1972-07-13
Also published as: DE2145690B2; GB1306567A; DE2145690C3; JPS507010B1

Description

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Toyota, Japan

Bei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis

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Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Kupferbasis und insbesondere Legierungen auf Kupferbasis, die hohe Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen.

Legierungen mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen sind seit langem als Materialien für Teile, die beträchtlichen Reibungsbelastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gesucht. Zu Materialien für Auspuffventilsitze, die üblicherweise für Viertaktbrennkraftmaschlnen verwendet werden, gehören Gußeisen, Spezialgußeisen, warmfester Stahl und dergleichen. Diese Legierungen haben jedoch den Nachteil, daß sie bei Verwendung von bleifreiem Benzin, LPG (Flüssigpropangas) und dergleichen als Brennstoff einem ungewöhnlichen Verschleiß ausgesetzt sind, der die Leistung der Brennkraftmaschine herabsetzt oder die Abgase verschlechtert (Erhöhung an CO oder Kohlenwasserstoffen). Eine störungsfreie Verwendung dieser Legierungen während langen Zeitspannen ist daher unmöglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile auszuschalten.

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Es wurde nun gefunden, daß Legierungen auf Kupferbasis, die Zink, Mangan, Silicium, Chrom und Phosphor und dergleichen als Legierungselemente enthalten, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen besitzen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Kupferbasis, die ausgezeichnete Beständigkeit gegen Festfressen oder Hängenbleiben und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen besitzen. Diese Legierungen bestehen aus Elementen in den nachfolgend angegebenen Zusammensetzungsbereichen.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind Legierungen auf Kupferbasis mit hoher Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, die Kupfer als Hauptbestandteil, sowie 25 bis 40 Gew.-%■Zink,:. · ί bis 8 Gew.- % Aluminium, 1 bis 5 Gew.-% Mangan, 0;3 bis 2,0 Gew.-% Silicium, 0,8 bis 5 Gew.-^ Chrom und 0,3 bis 1 Gew.-S6 Phosphor enthalten und ferner eine kleine Menge anderer Elemente enthalten können.

Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine mikrofotografische Darstellung der Zusammensetzung der Legierung A gemäß dem nachfolgenden Beispiel.

Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Kupferbasis sind Legierungen, die Kupfer als Hauptbestandteil, sowie Zink, AIu- ·. minium, Mangan, Silicium, Chrom und Phosphor als Legierungs-■! elemente enthalten und ferner eine kleine Menge anderer Elemente enthalten können.

j Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich als Herstellungsmaterialien für AuspuffVentilsitze, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden, insbesondere solchen, bei denen bleifreies

j Benzin, LPG oder dergleichen ohne Zusätze, wie beispielsweise Blei, verwendet wird. Wenn die erfindungsgemäSe Lsgic»v-uiäg als Material für Ventilsitze verwendet wird, so wird die Heibungs-

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belastung auf einen vernachläßigbaren Wert herabgesetzt. JEs können auch hohe Maschinendrehzahlen und hohe Belastungen und Betriebswerte wHhrend einer langen Betriebszeit ohne Schwierigkeit erzielt werden. Ferner sind die erfindungsgemäßen Legierungen auch als Herstellungsmaterialien für Komponenten geeignet, die in einem Bereich verwendet werden, für welchen hohe Trockenverschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist, wie beispielsweise für Ventilschaftführungen, Synchronisierringe und Lager.

Die Wirkung und der Grund des Vorhandenseins eines Jeden Bestandteils der erfindungsgemäßen Legierungen sind die folgenden:

Unter den Elementen der erfindungsgemäßen Legierungen ist Kupfer der Hauptbestandteil. Kupfer hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und reagiert mit dem Sauerstoff der Luft bei hohen Temperaturen unter Bildung von Kupferoxyd. Ein dünner Film aus diesem Kupferoxyd ergibt eine selbstschmierende Wirkung und trägt so zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei. Zink löst sich in Kupfer in Form einer festen Lösung, die die Kristallmatrix verstärkt, und reagiert bei hoher Temperatur mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Zinkoxyd. Dieser dünne Film aus Zinkoxyd ergibt ebenfalls eine selbstschmierende Wirkung und verbessert in bemerkenswerter Weise die Verschleißfestigkeit der Legierung. Außerdem setzt das Zink den Schmelzpunkt der Legierung herab und verbessert deren Gießbarkeit. Hinsichtlich der Verstärkung der Kristallmatrix und der Gießbarkeit der Legierung ist es zweckmäßig, daß der Zinkgehalt zumindest 25 Gew.-% beträgt. Wenn der Gehalt an Zink über 40 Gew.-% beträgt, so ist andererseits die Bearbeitbarkeit der Legierung verminder t ,wenn Zink zusammen mit anderen Elementen vorliegt, die zur Verstärkung der Kristallmatrix und der Verschleißfestigkeit beitragen. Der Zinkgehalt wurde daher auf höchstens 40 Gew.-% festgesetzt. Aluminium verstärkt die Kristallmatrix und verbessert

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die Verschleißfestigkeit. Da jedoch diese Verstärkungswirkung bei einem Aluminiumgehalt von weniger als 1 Gew.-# gering ist, wurde der Aluminiumgehalt auf zumindest 1 Gew.-# festgesetzt* Beträgt der Aluminiumgehalt über 8 Gew.-Jd_t so wird jedoch die Bearbeitbarkeit schlechter, wenn es zusammen mit Chrom vorliegt, und der Aluminiumgehalt wurde daher auf höchstens 8 Gew.-# festgesetzt.

Chrom verstärkt die Kristallmatrix und erhöht die Härte ebenso wie Aluminium. Es trägt auch zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei. Bei einem Gehalt von weniger als 0,8 Gew.-Ji Chrom ist die Wirkung des Aluminiums jedoch gering, und der Chromgehalt wurde daher auf zumindest 0,8 Gew.-# festgesetzt. Bei einem Gehalt von mehr als 3 Gew.-^ Chrom nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung ab, und der Chromgehalt wurde daher auf höchstens 3,0 Gew.-# festgesetzt. Was das Mangan anbetrifft, so verstärkt dieses die Kristallmatrix in der gleichen Weise wie Aluminium und verbessert die Verschleißfestigkeit, wobei es gleichzeitig eine bemerkenswert harte intermetallische Verbindung mit Silicium ergibt. Diese intermetallische Verbindung ist gleichförmig in fein verteiltem Zustand in der Kristallmatrix dispergiert und verbessert so die Verschleißfestigkeit bemerkenswert. Wenn weniger als 1 Gew.-% Mangan vorliegt, so ist die Menge der mit Silicium gebildeten intermetallischen Verbindung gering und der Beitrag zur Verschleißfestigkeit ist klein. So wurde der Gehalt an Mangan auf zumindest 1 Gew.-# festgesetzt. Bei einem höheren Gehalt an Mangan als 5 Gew.-^ nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Mangan mit Zink, Aluminium, Silicium, Chrom und dergleichen ab. Der Gehalt an Mangan wurde daher auf höchstens 5 Gew.-% festgesetzt.

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Was das Silicium anbetrifft, so bildet dieses zwar eine bemerkens· wert harte intermetallische Verbindung mit Mangan und trägt zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei, doch ist die Menge an mit Mangan gebildeter harter intermetallischer Verbindung gering und der Beitrag zur Verschleißfestigkeit klein, wenn der Siliciumgehalt weniger als 0,3 Gew.-^ beträgt. Der Siliciumgehalt wurde daher auf zumindest 0,3 Gew.-J^ festgesetzt. Bei einem Siliciumgehalt über 2,0 Gew.-# wird die Bearbeitbarkeit der Legierung aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Zink, Aluminium, Mangan, Chrom und dergleichen herabgesetzt. Der Siliciumgehalt wurde daher auf höchstens 2 Gew.-^ festgesetzt.

Phosphor wird als Desoxydator verwendet. Bei einem Phosphorgehalt über 0,3 Gew.-# besitzt der Phosphor die Neigung, die Härte der Legierung zu erhöhen und auch zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit beizutragen. Liegt der Phosphorgehalt jedoch über 1 Gew.-^, so nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung ab. Der Phosphorgehalt wurde daher auf höchstens 1 Gew.-% festgesetzt.

Ferner wird, wenn der Gehalt an Eisen oder Nickel unter oder höchstens 2 Gew.-# und der Gehalt an Sn, Pb, Ti, Zr, Be, B, Co oder W unter oder höchstens 1 Gew.-% beträgt und die Gesamtsumme dieser Elemente weniger als oder höchstens 5 Gew.-% ausmacht, das Verhalten der Legierung bei der Herstellung von Ventilsitzen, Ventilschaftführungen, Synchronisierringen und Lagern nicht nachteilig beeinflußt, und diese Elemente können daher gewünschtenfalls zugegeben werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

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Zwei erfindungsgemäße Legierungsproben mit den in der nachfolgenden Tabelle I gezeigten Zusammensetzungen wurden hergestellt und bezüglich Gleitreibung bei hohen Temperaturen geprüft. Zu Vergleichsproben gehörten gewöhnliches übliches Gußeisen, Spezialgußeisen und warmfester Stahl. Die Versuchsergebnisse, die die Eigenschaften und die Reibung von jeder Legierung zeigen; sind in der nachfolgenden Tabelle II dargestellt.

Tabelle

Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung A	Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung B
56 %	62 #
35*	30 *
2,5 *	2*
2*	3*
0,7 %	0,8*
1 %	1 %
0,5 *	0,5 *
0,5 %	-
1,5 *	-
0,3 *	_

Be - 0,1 #

Ti - 0,3 *

W - 0,3*

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Tabelle

II

	gewöhn liches Gußeisen	Chemische Zusammen setzung (Gew.-Jb)	Zug festig keit ₂ (kg/cm )	Härte HV (10)	Verschleiß (mm)
Ver gleichs proben	Spezial- gußeisen	JIS stand ard FC 30	30	240	8,35
erfin- dungs- gemäße Legie rung	warm fester Stahl	C3,4-Si2,4- MnO,75-PO,3- CrO,6-MoO,7- VO,15-Fe Rest	40	280	6,36
A	C0,8-Si2,3- S0,1-Cr20- Ni1,3-Fe Rest	100	300	2,70
B	(vgl. Tabelle I)	68	230	0,25
(vgl. Tabelle I)	70	260	0,40

Die Bestimmung des oben genannten Verschleißes wurde vorgenommen, indem eine ringförmige Probe, die auf 400 bis 45O°C erhitzt worden war, an einer Aluminiumlegierung befestigt wurde, diese Baugruppe mit 10 U/min gedreht wurde, mittels einer Anschlagvorrichtung aus warmfestem Stahl wiederholte Schläge mit einer Stoßgeschwindigkeit von 0,2 m/Sekunde bei einem Ober-

flächendruck von 30 kg/cm und einer Schlagfolge von 2500 Schlägen/Minute erteilt wurden und die Änderungen der Dicke der Proben für eine bestimmte Zeitspanne festgestellt wurden.

Aus den obigen Versuchsergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu gewöhnlichem Gußeisen, Spezialgußeisen und warmfestem Stahl außerordentlich hohe Verschleißfestigkeit besitzen.

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Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Auspuffventilsitzen, die außerordentlich hohen Temperaturen von Viertaktbrennkraftmaschine^ bei denen bleifreies Benzin und LPQ als Brennstoff verwendet wird, ausgesetzt sind.

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Claims

2U569Q Patentansprüche

1. Legierung auf Kupferbasis mit Verschleißfestigkeit bei
hohen Temperaturen,gekennzeichnet durch einen Gehalt von 25
bis 40 Gew.-# Zink, 1 bis 8 Gew.-% Aluminium, 1 bis 5 Gew.-^
Mangan, 0,3 bis 2,0 Gew.-^ Silicium, 0,8 bis 3,0 Gew.-^ Chrom und 0,3 bis 1,0 Gew.-% Phosphor und Kupfer als Rest.

2. Legierung auf Kupferbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu 5 Gew.-% Verunreinigungselemente enthält.

3. Ventilsitz für Brennkraftmaschinen, hergestellt aus einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2.

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