DE3032767A1

DE3032767A1 - Aluminium-bronze-legierung

Info

Publication number: DE3032767A1
Application number: DE19803032767
Authority: DE
Inventors: Norman Coupe Ashton; Geoffrey Huddersfield West Yorkshire Littlewood
Original assignee: Ashton Ltd N C
Current assignee: Ashton Ltd N C
Priority date: 1980-04-30
Filing date: 1980-08-30
Publication date: 1981-11-19
Also published as: ES501767A0; JPS56169738A; EP0039242A1; ES8303539A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung beschäftigt sich mit Aluminium-Bronze-Legierungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit solchen Aluminium-Bronze-Legierungen, die die Herstellung von Produkten ermöglichen, für die die Ver-Schleißeigenschaften der Legierungen wichtig sind.

Es ist bereits bekannt, daß gewisse Aluminium-Bronze-Legierungen guten Verschleißwiderstand haben. Diese
Legierungen sind zur Herstellung von Lagern, Ritzeln
und Preßwerkzeugen benutzt worden. Die Lebensdauer derartiger Gegenstände hängt in weitem Umfange von der
Verschleißfestigkeit der Legierungen ab, aus denen sie
bestehen, und die Lebensdauer dieser Produkte ist dadurch begrenzt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aluminium-Bronze-Legierung zu schaffen, die verbesserte Verschleißfestigkeit besitzt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine Aluminium-Bronze-Legierung, die 6 bis 15 Gew.% Aluminium aufweist und in deren Matrix intermetallische Teilchen von
Metallsilicid zur Erhöhung des Verschleiß- oder Abriebwiderstandes der Legierung enthält.

Vorzugsweise haben die intermetallischen Partikel von
Metallsilicid eine größere Härte als die Matrix der
Legierung und bilden Rauhigkeiten an ihrer freien Oberfläche.

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Vorteilhafterweise verstärken die Rauhigkeiten aus Metallsilicid, die aus der freien Oberfläche der Legierung vorstehen, strukturell auch den Aluminiumoxidfilm der Legierungen an jener freien Oberfläche.

Die intermetallischen Partikel werden vorzugsweise im wesentlichen aus Chromsilicid gebildet, oder die Partikel können alternativ im wesentlichen aus Mangansilicid gebildet sein. Als weitere Alternative kommt im wesentlichen Eisensilicid für die intermetallischen Partikel in Frage.

Vorzugsweise weist die Aluminium-Bronze-Legierung 6 bis 15 Gew.% Aluminium, 0,1 bis 0,3 Gew.% Silicium und 0,1 bis 0,4 Gew.% Chrom oder 0,1 ,bis 5 Gew.% Mangan oder eine Kombination dieser Stoffe auf.

Die Aluminium-Bronze-Legierung umfaßt vorzugsweise 10,3 Gew.% Aluminium, 0,25 Gew.% Silicium, 0,1 Gew.% Chrom, 1,5 Gew.% Eisen oder einen äquivalenten Eisengehalt, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind. Alternativ kann die Aluminium-Bronze-Legierung 10,5 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 0,3 Gew.% Silicium, 0,2 bis 0,3 Gew.% Chrom, 1 Gew.% Mangan, bis zu 1,5 Gew.% ( Eisen, bis zu 0,5 Gew.% Nickel enthalten, wobei der Rest

Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Aluminium-Bronze-Legierung 6 bis 15 Gew.% Aluminium auf und enthält Chrom und Silicium, wobei der Siliciumgehalt gleich oder größer ist als der Chromgehalt.

Vorzugsweise weist der Chromgehalt der Legierung 0,1 bis 0,4 Gew.% Chrom auf.

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Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung weist eine Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Ritzeln, Getrieberädern und anderen der Energieübertragung dienenden Gegenstände 9 bis 11 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2 Gew.% Mangan auf, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Entsprechend noch einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Schlitten, Lagerplatten, Führungen, Walzen und anderen "·--" Einrichtungsgegenständen zur Verarbeitung und Behandlung

von Metallen 11,5 bis 12,5 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan auf, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht die Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Preßwerkzeug-Einsätzen und Düsen, Matrizen u. dgl. aus 14 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Vorzugsweise können die drei zuletzt genannten Ausführungsformen der Erfindung so beschaffen sein, daß die Legierung bis zu 1,5 % Eisen enthält und der SiIiciumgehalt gleich oder größer als der Chromgehalt ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand spezieller Ausführungsbeispiele von Aluminium-Bronze-Legierungen im einzelnen beschrieben. Jedoch ist klar, daß die Erfindung allgemein mit der Erzielung einer verbesserten Abnutzungsfestigkeit des gesamten Bereichs von Aluminium-Bronze-Legierungen befaßt ist, die 6 bis 15 Gew.% Aluminium enthalten.

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In derartigen Aluminium-Bronze-Legierungen ist es bekannt, daß während der relativen Bewegung der in Wechselwirkung stehenden Oberflächen die Verschleißrate von einer Anzahl von Faktoren abhängt, zu denen beispielsweise der Reibungskoeffizient zwischen den aufeinanderliegenden Oberflächen und die zwischen ihnen realisierte Schmierungsart gehören. Jedoch wird auch berücksichtigt, daß die Scherung des Aluminiumoxidfilms auf einer Aluminium-Bronze-Legierungsoberfläche wenigstens teilweise für die Verschlechterung der Abrieboberfläche verantwortlich ist, insbesondere insofern, als dies zu Abrieb-Rückständen führt, welche eine weitere Abnutzung der Oberfläche bewirken. Folglich wird in Betracht gezogen, daß jede Verbesserung, die an der Stabilität dieses Aluminiumoxidfilms erhalten werden kann, die Verschleißfestigkeit solcher Aluminium-Bronze-Legierungen verbessert. Tribologische Tests, d.h. Tests zur Bestimmung des Verschleißwiderstandes, mit einer relativen Bewegung der wechselwirkenden Oberflächen aus spezifischen Legierungen unter bestimmten Last- und Schmier-Bedingungen wurden mit einer üblichen Aluminium-Bronze-Legierung ausgeführt, welche aus 10,5 Gew.% Aluminium und 4 Gew.% Eisen besteht, wobei der Resc Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind. Dabei wurde der Gewichtsverlust des Prüflings bestimmt.

Ein identischer tribologischer Test wurde dann mit einer ersten Test-Aluminium-Bronze-Legierung ausgeführt, die Zusätze von Chrom und Silicium enthielt, jedoch mit der üblichen Standardlegierung kompatible Eigenschaften, wie beispielsweise Härte, besaß. Diese erste Test-Aluminium-Bronze-Legierung bestand aus 10,1 Gew.% Aluminium, 1,5 Gew.% Eisen oder einem äquivalenten Eisengehalt, 0,1 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium, und der Rest waren Kupfer und die üblichen Verunreinigungen. Die Ergebnisse der tribologischen

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Tests zeigten, daß die Abnutzungsfestigkeit dieser ersten Test-Aluminiura-Bronze-Legierung viermal größer war als diejenige der Standard-Aluminium-Bronze-Legierung.

Ähnliche Tests wurden mit einer zweiten Test-Aluminium-Bronze-Legierung aus 10,5 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 0,3 Gew.% Chrom, 0,2 bis 0,3 Gew.% Silicium, 1 Gew.% Mangan, bis zu 1,5 Gew.% Eisen und bis zu 0,5 Gew.% Nickel ausgeführt, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen waren. Sie ergaben, daß diese Legierung eine verbesserte Abnutzungsfestigkeit gegenüber der üblichen Standard-Aluminium-Bronze-Legierung besitzt.

Zusätzliche Versuche zeigen, daß diese verbesserte Abenutzungsfestigkeit über den gesamten Bereich von Aluminium-Bronze-Legierungen erhalten werden konnte, in dem Silicium im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.%, Chrom im Bereich von 0,1 bis 0,4 Gew.% und Mangan im Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.% hinzugegeben wurde.

Es hat sich weiter ergeben, daß es für den Siliciumgehalt der Legierung günstig ist, wenn er gleich oder größer als der Chromgehalt der Legierung ist, vor allem dann, wenn die Legierung Eisen enthält.

Diese Zusätze von Chrom, Silicium und Mangan zu der flüssigen Aluminium-Kupfer-Legierung resultieren in der Formation einer Anzahl von intermetallischen Verbindungen, die separat existieren können oder eine Kombination der folgenden Verbindungen sein können: MnAl₆, MnAl₄, MnAl₁, Mn₃, Al_1Q, Mn₄, Al₁₁, MnAl₃, (MnCr)Al₁₂, (MnSi)₃AIg, CrSi₃, CrSi, Cr₃Si₃, Cr₃Si, MnSi₂,MnSi, Mn₅Si₃, Mn₃Si, CrAl₇, Cr₃Al₁₁, Cr₅Al₈, Cr₃Al, CrAl₄, CrAl₃ und Cr₃Al.

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Wenn die Oberfläche der Aluminium-Bronze-Legierung relativ zu einer wechselwirkenden Oberfläche bewegt wird und unter Last gesetzt wird, findet Abrieb der Aluminium-Bronze-Legierungsoberfläche statt und dies geht zum Teil auf die Scherung des Aluminiumoxidfilms auf der Aluminium-Bronze-Legierung zurück. Diese Scherung des Aluminiumoxidfilms bewirkt die Zerstörung der unter Abnutzung stehenden Oberfläche und dies führt zur Bildung von Abriebrückständen, die für eine weitere Abnutzung der Oberfläche sorgen.

Die oben erwähnten Aluminium-Bronze-Legierungen, die Gegenstand der Erfindung sind, halten einen wesentlich stabileren Oxidfilm und die Stabilität des Oxidfilms ist vermutlich auf die Verstärkung des Oxidfilms durch die im wesentlichen aus Chromsilicid und/oder Mangansilicid gebildeten intermetallischen Partikel zurückzuführen. Es hat sich auch ergeben, daß in Eisen enthaltenden Legierungen Eisen in diesen komplexen Siliciden vorhanden ist, und daher werden in einem solchen Falle die Silicide aus verschiedenen Prozentsätzen von Chrom, Mangan und Eisen gebildet.

». j Die Untersuchung von Prüflingen aus Aluminium-Bronze-

Legierungen zeigt, daß die intermetallischen Partikel klein und über die Matrix der Legierung gleichförmig verteilt sind und sehr viel härter sind als die Matrix. Weiter stehen die intermetallischen Partikel aus der freien Oberfläche der Legierung in der Form von kleinen Erhebungen oder Spitzen vor, die besser imstande sind, eine ausgeübte Last aufzunehmen, als der übliche Aluminiumoxidfilm. Da diese Spitzen viel härter sind als die Matrix, stellen sie erheblichen Widerstand der Scherung entgegen und bilden leicht Oxidschichten, so daß einem Anschweißen

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oder Anhaften an die Gegenfläche unter den Bedingungen der Grenzflächenschmierung entgegengewirkt wird.

Diese Aluminium-Bronze-Legierungen werden am geeignetsten durch Schmelzen der richtigen Anteile von Aluminium und Kupfer in einem kernlosen Induktionsofen und Zugabe von Mangan, Silicium und Chrom in dieser Reihenfolge zu der Hochtemperatur-Fltissdgkeit gewonnen, wobei die Flüssigkeit mit diesen Zugaben dann mechanisch vermischt und dann ohne Zuwarten ausgegossen wird.

'»- Es hat sich ergeben, daß diese Legierungen gegenüber

kleinen Verunreinigungs-Anteilen nicht empfindlich sind mit der Ausnahme von Blei, Arsen und Wismut, und üblicherweise bis zu 0,5 % Eisen, Zink, Zinn, Vanadium, Titan, Molybdän, Nickel, Kobalt und Wolfram enthalten können. Wenn die Legierungen in ölbefeuerten öfen hergestellt werden sollen, hat sich ergeben, daß es für die höherschmelzenden Bestandteile günstiger ist, als Hauptlegierungen von Kupfer zugegeben zu werden.

Es wird auch erwartet, daß in Aluminium-Bronze-Legierungen, die bis zu 12 Gew.% Aluminium enthalten, die Verteilung und Größe der intermetallischen Partikel durch Verwendung verschiedener Formen der Wärmebehandlung modifiziert werden können, wie etwa eine Lösungsbehandlung und Ausfällen oder Alterungshärten. Außerdem hat sich ergeben, daß die Zugaben von Chrom, Silicium und Mangan die bereits vorhandene gute Korrosionsfestigkeit der Aluminium-Bronze-Legierungen nicht beeinträchtigen, und die verbesserte Verschleißfestigkeit der Aluminium-Bronze-Legierungen, die Chrom, Silicium und Mangan enthalten, bleibt auch erhalten, wenn die Legierung als eine Schweißabscheidung aufgetragen wird.

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Man sieht, daß die erfindungsgemäßen Aluminium-Bronze-Legierungen im Guß oder als geschmiedetes Produkt hergestellt werden können, wodurch eine wirtschaftliche Herstellung verschieden geformter Teile erleichtert wird.

Man glaubt, daß solche Aluminium-Bronze-Legierungen, deren Aluminiumgehalt im Bereich von 6 bis 11 Gew.% Aluminium liegt und deren Härte im Bereich von 180 bis 280 Vickers Pyramidenzahl für die Bildung von Zahnrädern verschiedener Art, speziell Schraubenrädern und anderen energieübertragenden Teilen auf Grund der verbesserten Verschleißfestigkeit besonders geeignet sind. Eine besonders geeignete Aluminium-Bronze-Legierung für die Herstellung derartiger Gegenstände umfa.ßt 9 bis 11 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium, bis zu 2,00 Gew.% Mangan, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Es wurde auch berücksichtigt, daß in den Fällen, in denen eine Aluminium-Bronze-Legierung einen Aluminiumgehalt im Bereich von 11 bis 15 Gew.% und eine Härte im Bereich von 250 bis 350 Vickers Pyramidenzahl hat, die Legierung zur Herstellung von Schlitten, Lagerplatten, von Werkzeugmaschinen, und Führungen sowie Formwalzen und ähnlichen Ausrüstungsgegenständen für die Bearbeitung anderer Metalle besonders geeignet ist, wenn die Verschleißfestigkeit dieser Gegenstände ein besonders wichtiges Kriterium ist. Eine Aluminium-Bronze-Legierung mit 11,5 bis 12,5 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind, wird für besonders geeignet für die Herstellung derartiger Gegenstände gehalten.

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Eine Aluminium-Bronze-Legierung mit einem Aluminiumgehalt im Bereich von 11 bis 15 Gew.% und einer Härte im Bereich von 300 bis 450 Vickers Pyramidenzahl wird besonders für die Herstellung von Preßwerkzeugeinsätzen und zur Herstellung von Matrizen oder Düsen geeignet gehalten, bei denen die Härte und Verschleißfestigkeit die beherrschenden Anforderungen sind, so daß diese Gegenstände ihr Profil behalten, ohne daß den durch diese gebildeten Bauteilen Schaden zugefügt wird. Eine besonders geeignete Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung derartiger Gegenstände kann 14 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan enthalten, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

Die vorstehend beschriebenen Legierungen, die zur Herstellung von Ritzeln, Getrieberädern, Schneckengetrieben und anderen energieübertragenden Bauteilen, Schlitten, Lagerplatten von Werkzeugmaschinen, Führungen, Formwalzen, Preßwerkzeugeinsätzen und Düsen geeignet sind, haben gezeigt, daß diese Legierungen bis zu 1,5 % Eisen enthalten können. Wenn ein derartiger Eisengehalt vorhanden ist, ist es günstig, in der Legierung den Siliciumgehalt so zu erhöhen, daß der Siliciumgehalt gleich oder größer als der Chromgehalt ist.

Insgesamt wurde eine Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Gegenständen beschrieben, bei denen die Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit der Legierung wichtig ist. Die Legierung enthält in der Matrix intermetallische Partikel aus einem Metallsilicid, wie etwa Chrom- oder Mangansilicid, welche die Form von Rauhigkeiten an der freien Oberfläche der Legierung annehmen und aus ihr so vorstehen, daß der Aluminiumoxidfilm der Legierung strukturell verstärkt wird.

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Claims

BREMEN onoiTCn DR.BeR.NAT. hörst zinngrebe

DR-Ingl WERNER W. RABUS

UNS. ZEICHEN : N 152

Anmelder/iNH: N.C. Ashton Limited
Aktenzeichen: Neuanmeldung

Datum: 29. August 1980

N. C. Ashton Limited, St. Andrew's Road, Huddersfield, West Yorkshire (England)

Aluminium-Bronze-Legierung

Ansprüche

1. Aluminium-Bronze-Legierung enthaltend 6 bis Gew.% Aluminium sowie zur Erhöhung der Abriebfestigkeit der Legierung in der Matrix xntermetallische

ζ Partikel aus Metallsilicid.

2. Aluminium-Bronze-Legierung nach Anspruch 1, bei der die intermetallischen Partikel aus Metallsilicid eine größere Härte als die Matrix der Legierung haben und Erhebungen an ihrer freien Oberfläche bilden.

3. Aluminium-Bronze-Legierung nach Anspruch 2, bei der die Erhebungen aus Metallsilicid, die aus der freien Oberfläche der Legierung vorstehen, den

HZ/il

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Aluminiumoxidfilm der Legierung an der freien Oberfläche strukturell verstärken.

4. Aluminium-Bronze-Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die intermetallischen Partikel im wesentlichen aus Chromsilicid gebildet sind.

5." Aluminium-Bronze-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die intermetallischen Partikel im wesentlichen aus Mangansilicid gebildet sind.

Γ
~ 6. .Aluminium-Bronze-Legierung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, bei der die intermetallischen Partikel im wesentlichen aus Eisensilicid gebildet sind.

7. Aluminium-Bronze-Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die 6 bis 15 Gew.% Aluminium, 0,1 bis 0,3 Gew.% Silicium und 0,1 bis 0,4 Gew.% Chrom oder

0,1 bis 5 Gew.% Mangan oder eine Kombination davon enthält.

8. Aluminium-Bronze-Legierung nach Anspruch 7, die 10,1 Gew.% Aluminium, 0,25 Gew.% Silicium, 0,1 Gew.%

!,.„ Chrom und 1,5 Gew.% Eisen oder einen äquivalenten Eisen

gehalt enthält, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

9. Aluminium-Bronze-Legierung nach Anspruch 7, die 10,5 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 0,3 Gew.% Silicium, o,2 bis 0,3 Gew.% Chrom, 1 Gew.% Mangan, bis zu 1,5 Gew.% Eisen und bis zu 0,5 Gew.% Nickel enthält, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

10. Aluminium-Bronze-Legierung, die 6 bis 15 Gew.% Aluminium sowie Chrom und Silicium enthält, wobei der

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Siliciumgehalt gleich oder größer als der Chromgehalt ist.

11. Aluminium-Bronze-Legierung nach Anspruch 10, bei der der Chromgehalt 0,1 bis 0,4 Gew.% Chrom beträgt.

12. Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Zahnrädern und anderen energieübertragenden Gegenständen, welche 9 bis 11 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan ent-

\ hält, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verun

reinigungen sind.

13. Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Schlitten, Lagerplatten, Führungen und Formwalzen und ähnlichen zur Metallverarbeitung dienenden Gegenständen, die 11,5 bis 12,5 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan enthält, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

14. Aluminium-Bronze-Legierung zur Herstellung von Preßwerkzeug-Einsätzen und von Düsen oder Matrizen, die 14 Gew.% Aluminium, 0,4 Gew.% Chrom, 0,25 Gew.% Silicium und bis zu 2,00 Gew.% Mangan enthält, wobei der Rest Kupfer und die üblichen Verunreinigungen sind.

15. Aluminium-Bronze-Legierung nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, bei der die Legierung bis zu 1,5 % Eisen enthält, und bei der der Siliciumgehalt gleich oder größer als der Chromgehalt ist.

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