DE2145710A1 - Bei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis - Google Patents

Description

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Toyota, Japan

3ei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis

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

Legierungen mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen werden seit langem als Materialien für Teile, die beträchtlichen Reibungsbeanspruchungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gesucht. Zu Materialien für Auspuffventilsitze, die heute üblicherweise für Viertaktbrennkraftmaschinen verwendet werden, gehören beispieslweise 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 ungewöhnlich stark verschleißen, was die Leistung der Brennkraftmaschine herabsetzt oder zu einer Verschlechterung des Abgases (Erhöhung an CO oder Kohlenwasserstoffen) führt. Eine störungsfreie Verwendung dieser Legierungen über lange 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, Aluminium, Mangan und Silicium 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. Die Legierungen bestehen aus Elementen innerhalb der im nachfolgenden angegebenen Bereiche.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind Legierungen auf Kupferbasis, die bei hohen Temperaturen ausgezeichnete Verschleißfestigkeit besitzen und Kupfer als Hauptbestandteil und 8 bis 25 Gew.-^ Zink, 5 bis 12 Gew.-% Aluminium, 1 bis 8 Gew.-% Mangan und 0,5 bis 2,0 Gew.-^ Silicium enthalten und ferner eine kleine Menge anderer Elemente enthalten können.

Im folgenden soll die Erfindung, näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine mikroskopische Darstellung der Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung A gemäß dem im nachfolgenden angegebenen Beispiel.

) Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Kupferbasis sind Legierungen, die ΚμρίβΓ als Hauptbeständteil sowie Zink, Aluminium, Mangan und Silicium als Legierungselemente enthalten und ferner in einer kleinen Menge anderer Elemente enthalten können.

Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich als Materialien zur Herstellung von Auspuffventilsitzen, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden, insbesondere solchen, bei denen bleifreies Benzin, LPG oder dergleichen ohne Gehalt an Zusätzen, wie Blei, verwendet werden. Wird die erfindungsgemäße Legierung als Material für einen Ventilsitz verwendet, so wird die Reibungsbeanspruchung auf einen vernachläßigbaren Wert herabgesetzt. Hohe Maschinendrehzahlen und hohe Belastungen und

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Betriebswerte während einer langen Maschinenlaufdauer können ohne Schwierigkeit erreicht werden. Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich auch als Materialien zur Herstellung von Bauteilen, die in einem Bereich verwendet werden,.in welchem Trockenverschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist.

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

Unter den Bestandteilen der erfindungsgemäßen Legierungen ist Kupfer der Hauptbestandteil. Kupfer hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Korrisionsbestandigkeit und reagiert mit dem Sauerstoff der Luft bei hoher Temperatur unter Bildung von Kupferoxyd. Ein dünner Film dieses Kupferoxyds ergibt eine selbstschmierende Wirkung und trägt so zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei. Zink löst sich in Kupfer als feste Lösung, wodurch eine Verstärkung der Kristallmatrix eintritt, und reagiert bei hoher Temperatur mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Zinkoxyd. Dieser dünne Film aus Zinkoxyd führt ebenfalls zu einer selbstschmierenden Wirkung und verbessert die Verschleißfestigkeit der Legierung außerordentlich. Im Falle eines Gehalts von weniger als 8 Gew.-^ Zink wird der oben genannte dünne Film aus Zinkoxyd nicht gleich· förmig gebildet, und die selbstschmierende Wirkung ist gering. Demzufolge wurde die Menge an Zink auf zumindest 8 Gew.-# festgesetzt. Bei einem Gehalt von mehr als 25 Gew.-% Zink wird jedoch die Bearbeitbarkeit der Legierung durch das Zink herabgesetzt, wenn es gleichzeitig mit anderen Elementen vor-•liegt, die zur Verstärkung der Kristallmatrix und zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit beitragen. So wurde der Zinkgehalt auf höchstens 25 Gew.-# festgesetzt.

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Was das Aluminium anbetrifft, so verbessert dieses die Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu seiner Verstärkungswirkung auf die Kristallmätrix. Bei einem Gehalt von weniger als 5 Gew.-$6 Aluminium ist jedoch der Grad einer solchen Verstärkung gering. Der Gehalt an Aluminium wurde daher auf zumindest 5 Gew.-% festgesetzt. Die Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung nimmt rasch ab, wenn mehr als 12 Gew.-J^ Aluminium vorliegen, und das gemeinsame Vorliegen von Aluminium mit Zink, Mangan, Silicium und dergleichen ist dann für die Bearbeitbarkeit der fc Legierung nachteilig. Der Gehalt an Aluminium wurde daher auf höchstens 12 Gew.-# festgesetzt.

Mangan verstärkt die Kristallmatrix in der gleichen Weise wie Aluminium und verbessert die Verschleißfestigkeit, wobei es gleichzeitig eine bemerkenswert harte intermetallische Verbindung mit Silicium bildet. Diese intermetallische Verbindung ist gleichförmig in einem fein verteilten Zustand in der Kristallmatrix dispergiert-und verbessert daher die Verschleißfestigkeit der Legierung beträchtlich. Bei einem Gehalt von weniger als 1 Gew.-% Mangan ist die Menge der zusammen mit Silicium gebildeten intermetallischen Verbindung klein, und äer Beitrag zur Verschleißfestigkeit ist ebenfalls klein. Der Ge-P halt an Mangan wurde daher auf zumindest 1 Gew.-^ festgesetzt. Bei einem Gehalt von mehr als 8 Gew.-^ Mangan wird die Bearbeitbarkeit der Legierung aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Mangan mit Zink, Aluminium, Silicium und dergleichen nachteilig beeinflußt. Der Gehalt an Mangan wurde daher auf höchstens 8 Gew.-# festgesetzt.

Das Silicium bildet zwar eine bemerkenswert harte intermetallische Verbindung mit Mangan und trägt zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei, doch ist die Menge an gebildeter intermetallischer Verbindung klein, wenn der Gehalt an Silicium weniger als 0,5 Gew.-# beträgt. Demzufolge wurde der Gehalt an Silicium auf zumindest 0,2 Gew.-^ festgesetzt.

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Da die Bearbeitbarkeit abnimmt, wenn der Siliciumgehalt mehr als 2 Gew.-^ beträgt, insbesondere wenn Silicium zusammen mit Zink, Aluminium, Mangan und dergleichen innerhalb der oben genannten Bereiche vorliegt, wurde die obere Grenze für den Siliciumgehalt auf höchstens 2 Gew.-% festgesetzt.

Eine kleine Menge Fe, Ni, Cr, Co, Ti, Sn, P, W, Pb, Zr, Be, B und dergleichen, die insgesamt weniger als oder höchstens 5 Gew.-% ausmacht, ist für das Verhalten der Legierung, beispielsweise in einem Ventilsitz, nicht nachteilig. Diese Elemente können daher zugegeben werden.

Im folgenden soll die Erfindung weiter anhand spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben werden.

Es wurden zwei erfindungsgemäße Legierungsproben mit den in der nachfolgenden Tabelle I gezeigten Zusammensetzungen hergestellt und bezüglich Gleitreibung bei hoher Temperatur geprüft. Zu Vergleichsproben gehörten übliches gewöhnliches Gußeisen, Spezialgußeisen und warmfester Stahl. Die Prüfungsergebnisse, die die Eigenschaften und die Reibung einer jeden Legierung zeigen, sind in der nachfolgenden Tabelle II angeführt .

Tabelle

Cu
Zn
Al
Mn
Si
Fe

Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung A	Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung B
67 #	74,5 %
20 %	10 %
7 %	10 %
5 %	4,5 %
0,7 %	0,5 %
0,3 %	. 0,5 % ■

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Tabelle II

	gewöhn liches Gußeisen	chemische Zusammen setzung (Gew. -56)	Zug festig keit (lcg/cm^)	Härte HV (10)	Ver schleiß (mm)
Ver gleichs- proben	Spezial- gußeisen	JIS standard FC 30	30	240	8,35
erfin dungs gemäße Legierung	warmfe ster Stahl	C3,4-Si2,4- MnO,75-PO,3- Cr0,6-Mo0,7- V0,15-Fe Rest	40	28O	6,36
A	C0,8-S12,3- S0,1-Cr20- Ni1,3-Fe Rest	100	300	2,70
B	(vergleiche Tabelle I)	91	26O	0,33
(vergleiche Tabelle i)	95	275	0,38

Die Bestimmung des Verschleißes in der obigen Tabelle wurde vorgenommen, indem eine ringförmige Probe, die auf 400 bis 45O⁰C erhitzt worden war, an einer Aluminiumlegierung, befestigt wurde, diese Baugruppe mit 10 U/min gedreht wurde, mittels einer aus warmfestem Stahl hergestellten Anschlageinrichtung wiederholte Schläge mit einer Stoßgeschwindigkeit von 0,2 m/

2 Sekunde bei einem Oberflächendruck von 30 kg/cm und einer Schlagfolge von 2500 Schlägen/Minute erteilt wurden und die Änderungen der Dicke der Probe für eine bestimmte Zeitspanne festgestellt wurden.

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Die obigen Versuchsergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine außerordentlich hohe Verschleißfestigkeit im Vergleich zu gewöhnlichem Gußeisen, Spezialgußeisen und warmfestem Stahl haben. Die erfindungsgemäßen' Legierungen sind besonders zur Her s te llung von Auspuff Ventilsitzen geeignet, die den extrem hohen Temperaturen von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei welchen bleifreies Benzin und LPG als Brennstoff verwendet wird, ausgesetzt sind.

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Claims (1)

1. 2-U5710

   Patentansprüche

   • 1. Legierung auf Kupferbasis mit Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 8 bis 25 Gew.-^ Zink, 5 bis 12 Gew.-^ Aluminium, 1 bis 8 Gew. Mangan, 0,3 bis 2,0 Gew.-% Silicium und Kupfer als Rest.

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

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

   2098 31/0A6S