DE2150154C3

DE2150154C3 - Bei hoher Temperatur verschleissfeste Sinterlegierung auf Kupferbasis

Info

Publication number: DE2150154C3
Application number: DE2150154A
Authority: DE
Inventors: Kametaro Hashimoto; Kunizo Nagoya Imanishi; Ishihara; Seishu Mitani; Itaru Nagoya Niimi; Yoichi Serino; Aichi Toyota; Kenzi Ushitani
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1971-04-26
Filing date: 1971-10-07
Publication date: 1974-02-07
Also published as: US3790351A; JPS4947124B1; DE2150154B2; GB1307650A; DE2150154A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sinterlegierungen auf Kupferbasis, die bei hohen Temperaturen Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Diese Legierungen eignen sich ausgezeichnet als Baumaterialien für Brennkraftmaschinen, insbesondere für deren Ventilteile.

Üblicherweise wird Blei als ein Zusatz für Benzin verwendet, das beim Betrieb von Brennkraftmaschinen verwendet wird. Es ist bekannt, daß der Bleizusatz ein Klopfen der Maschine verhindert. Der Blei-/.usatz hat auch eine Schmierwirkung, die durch das Haften von Blei auf der Oberfläche der Ventile oder Vcnti'sii '.e erzeugt wird. Andererseits werden bleifreies Benzin und Flüssigpropangas (LPG) als Brennstoff zur Verhinderung einer Luftverschmutzung verwendet. Die Verwendung von solchen bleifreien Brennstoffen führt zu einem Verlust der Schmierwirkung. die dem Blei zuzuschreiben ist, und führt zu einem Verschleiß üblicher Vcntiimaterialien. wie beispielsweise Gußeisen oder warmfester Stahl. Die Leistung der Maschine wird gegebenenfalls herabgesetzt.

Die vorliegende Erfindung schaltet die obengc- 4" nannten Nachteile durch Schaffung von Sinterlegierungen aus, die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hoher Temperatur aufweisen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Sinterlegierungen auf Kupferbasis, die ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen besitzen. Diese Legierungen sind insbesondere zur Herstellung von Ventilen, wie sie bei HrennkrafliTiaschincn verwendet werden, geeigncl. Die Legierungen sind durch ihren Zusammcnset-/unusbercich gekennzeichnet und enthalten Kupfer ;ils Hauptbestandteil, 4 bis 15% Zinn, 4 bis 25° η Nickel und 4 bis 25% Chrom.

Die crfindungsgcmäßcn Sinterlegierungen sind Leuierunyen, (Jic Chrom ilispcrgicrt in einer Kupfcr-/inii-Nickel-Grundlegierung enthalten, d. h. Sinterlegierungen auf Kupferbasis, die Kupfer als Hauptbestandteil. 4 bis !5⁰Ai Zinn, 4 bis 25% Nickel und 4 bis 25% Chrom enthalten. Die Dichte beträgt mehr fio ;tls SS" „ der theoretischen Dichte.

Da tue crfinduiigsgcmäßcn Sinterlegierungen bemerkenswerte Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen haben, eignen sie sich ausgezeichnet für Ventilsitze von Brennkraftmaschinen, bei denen bleifreies Benzin oder Flüssiggas als Brennstoff verwendet wird. Die Legierungen sind auch als I agei materialien, insbesondere für Lager, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie beispielsweise Lager für heiße Walzen, verwendbar. . - j r·,

Im folgenden wird die Funktion eines jeden F.!e inenlbestandteils und der Grund für die Beschränkung des Zuscmmensetzungsbereichs der Legierungen erläutert. Es sei bemerkt, daß die Prozentsätze der Elemente alle Gewichtsprozentsätze sind.

Unter den Bestandteilen der erfindungsgemäßen Sinterlegierungen zeichnet sich Kupfer durch Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Es se: bemerkt, daß dieser Bestandteil ein Kupferoxyd mi; Sauerstoff bei hohen Temperaturen bildet, das eine Schmierwirkung ausübt und somit zur Verschleiß festigkeit beiträgt.

Zinn bildet wie Kupfer einen Oxydfil.r bei hohe ι Temperatur und trägt so zur Verschleißfestigkeit bei Es erhöht auch die mechanische Festigkeit. Dies, Wirkung wird jedoch nur in geringem Ausmaße be» weniger als 4% beobachtet, und bei mehr als 15°. fällt die mechanische Festigkeit sowie das Vermögen. Chrom zu halten, stark ab. So wurde der Bereich fü Zinn auf 4 bis 15% festgesetzt.

Nickel besitzt Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es dringt in Kupfer in Form einer festen Lösung ein und verstärkt so die Matrix. Ein Gehalt von weniger als 4% Nickel hat jedoch nu' wenig Wirkung, und ein Gehalt von mehr als 25",, ergibt keinen bemerkenswerten Effekt in Anbetracht der zugegebenen Menge. Der Nickelgehalt beträgt daher erfindungsgemäß 4 bis 25%..

Die Härte des Chroms nimmt selbst bei hoher Temperatur nicht ab. Es bildet mit Sauerstoff bei hoher Temperatur ein Chromoxyd und erhöht hiei durch die Verschleißfesligkeit. Eine solche Wirkung ist jedoch bei weniger als 4% gering. Bis zu 35" ., Chrom wird die Verschleißfestigkeit proportional zu der zugegebenen Menge verbessert, doch nimmt die mechanische Festigkeit ab. Der erfindungsgemäße maximale Gehalt beträgt daher 25%.

Wenn die Dichte der Legierung etwas geringer als 88% der theoretischen Dichte innerhalb des oben genannten Bereichs der Bestandteile ist. so wird die Abstrahlung bei hohen Temperaturen schlechter, und eine dauernde Spannupgsbeanspruchung der Brennkraftmaschinenbautcilc tritt bald nach Inbetriebnahme auf. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer der Brennkraftmaschine. Die Dichte der Legierung sollte daher mehr als 38% betragen.

Wie oben beschrieben wurde, enthalten die erfindungsgemäßen Sinterlegierungen Chrom, das hart M und bei hoher Temperatur ausgezeichnete Verschleißfestigkeit besitzt. Das Chrom ist in massiver Form in der Küpfcr-Zinn-Nickel-Grundlegierung dispcrgierl. tue verhältnismäßig weich ist und gute Wärmeleitfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geeignete Mntcriulfcstigkirt besitzen. Diese Legierungen bestehen somit aus sowohl einer harten Phase als auch einer weichen Phase und haben eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen. Außerdem wird durch die Schaffung von Legierungen mit zunehmender Dichte die Wärmeleitfähigkeit hei hohen Temperaturen und unter schwerer Belastung erhöht, was zjr Verhinderung einer Dauersparsnungsbclastung beiträgt.

Es sei ferner bemerkt, daß die crfindimgsgcmäßen Sinterlegierungen den Vorteil besitzen, daß die Mate-

rialien, aus dunen sie bestehen, einfach sind und das Herstellungsverfahren einfach ist, wodurch eine gleichbleibende Qualität bei einer Massenproduktion !eicht aufrechterhalten werden kann.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel I

Elektrolytisches Kupferpulver mit einer Teilchengröße unter 0,15 mm, feinstzerteiltes Zinnpulver mit einer Teilchengröße unter 0,15 mm, elektrolytisches Chrompulver mit einer Teilchengröße unter 0,074 mm und Carbonylnickelpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 μ werden so vermischt, daß 56 Gewichtsprozent Kupfer, 20 Gewichtsprozent Nickel, 4 Gewichtsprozent, Zinn und 20 Gewichtsprozent Chrom vorliegen. Γ/ann wird das erhaltene Gemisch unter einer;· Pressendruck von 6 t/cm- zu einer geformten Masse mit einer Dichte von 7.4 g/cm^:l geformt. Die geformte Masse wird anschließend 60 Minuten in einer neutralen Gasatmosphäre bei 900° C gesintert, und die gesinterte- Masse wird erneut unter einem Druck von 7l cm- ge^reßi, wodurch die Dichte bis auf 7,9 g/cm^:| erhöht wird

Beispiel 2

Nach Mischen der gleichen Pulver wie im Beispiel 1 in Mengen, die 74,S°/o Kupfer, 8,8% Nicke!, 4.4°/o Zinn und 12⁰Zo Chrom ergeben, wire das Gemisch unter einem Pressendruck von 5 t/cm² zu einer Formmasse geformt, die eine Dichte von 7,5 g/cm^s aufweist. Dann wird die geformte Masse bei 860° C 60 Minuten in einer neutralen Gasatmosphäre gesintert. Die erhaltene Sintermasse wird erneut gepreßt, um die Dichte auf 8.1 g/cm·' zu erhöhen.

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse von Prüfungen, die bezüglich der Eigenschaften und bezüglich des Ausmaßes des Verschleißes bei hoher Temperatur bei erfindungsgemäßen Legierungen gemaß den Beispielen 1 und 2 durchgeführt wurden, zusammen mit denjenigen üblicher Materialien gezeigt.

Tabelle

Legierungstyp	Beispiel I	Zusammensetzung der Bestandteile	Zugfestigkeit	Härte HV (0.2;	Verschleiß
		(Gewichtsprozent)	kp mm^!		(mm)
		56Cu 20Ni	24	400 bis 450	0.37
		4Sn 20Cr		(Cr in massiver
				Form)
	Beispiel 2			120 bis 140
Erfindungs				(Matrix)
gemäße		74.8Cu 8,8Ni	28	400 bis 450	0.42
Legierungen		4.4Sn 12Cr		(Cr in massiver Form)
	Spezial-			140 bis 160
	gußeisen			(Matrix)
		Fe 3.5 C 25Si	40	250 bis 300	7.42
		lMn-0,5P~
	warmt'ester	0,5 Cr 0.5 Mo
Vergleichs	Stahl	0,1V
beispiele		Fe -0,4C-2Si-	W	290 bis 310	6.38
	15Cr-15Ni-
	2W-0,6Mn

In der obigen Tabelle ist der Verschleiß durch die abgetragenen Mengen in Millimeter in Richtung der Höhe der Proben, gemessen nach einer für eine bestimmte Dauer (100 Stunden) nach der sogenannten Gleit-Schlagprüfung (mit hoher Frequenz durchgeführt), angegeben. Dieses Prüfgerät hat einen Mechanismus, bei welchem 2500 Schläge in der Minute unter einem Oberflächendruck von 30 kg/cm-' mittel« einer aus warmfestem Stahl hergestellten Anschlageinrichtung erteilt werden, wobei die an Gußeisen durch Sjuvialeinrichtungcn angebrachten scharfkantigen Proben mit 10 Umdrehungen in der Minute bei einer erhöhten Temperatur von 500 bis 550' C gedreht werden.

Claims

Patentansprüche:

J. Sinterlegierung mit Verschleißfestigkeit bei hoher Temperatur, bestehend aus 4 bis 15⁰Ai 5 Zinn, 4 bis 25% Nicke!, 4 bis 25% Chrom und Rest Kupfer, wobei die Sinterung bis zu einem solchen Ausmaß vorgenommen ist, daß die Dichte mehr als 88% der theoretischen Dichte beträgt.
2. Verwendung e>ner Legierung nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung von Ventilsitzen für Brennkraftmaschinen.