DE3626435A1 - Kupfer-zink-legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupfer-Zink-Legierung mit Phosphiden, welche in eutektischer Form im Gefüge enthalten sind.

Aus der DE-PS 9 77 469 ist es bereits bekannt, derartige Legierungen für Gleitzwecke, insbesondere Gleitlager zu verwenden. Die Eignung derartiger Legierungen für Gleitzwecke ergibt sich aufgrund nichtmetallischer Einlagerungen, insbesondere Phosphiden, die in eutektischer Verteilung im Werkstoff vorliegen. Diese Druckschrift befaßt sich nur mit Cu als Grundmasse und im besonderen mit dem Eutektikum Cu-Cu₃P. Hinweise auf die Erzielung von eutektischen Phosphiden mit anderen Legierungselementen werden nicht gegeben.

Aus der DE-PS 7 53 251 ist ferner ein Gleitlagerstoff aus knetverformten Messingen bekannt geworden, bei welchem neben Kupfer und Zink gütesteigernde Zusätze an Mangan, Aluminium, Eisen, Zinn und Nickel, einzeln oder in Kombination, enthalten sind. Aus dieser Druckschrift sind jedoch keine näheren Hinweise zu entnehmen, zu welchen Anteilen die einzelnen Zusätze der Legierung zugegeben werden sollen.

Diese seit langem bekannten Gleitlagerwerkstoffe erfüllen jedoch bei weitem nicht mehr die heutigen Anforderungen, was Gleit- und Verschleißverhalten anbelangt.

Der Stand der Technik wird heute hinsichtlich der Qualität der Gleit- und Verschleißeigenschaften durch Legierungen der Art CuSn8 einerseits und durch besonders preiswerte Legierungen mit guten Gleit- und Verschleißeigenschaften andererseits gebildet, wie sie zum Beispiel durch eine Legierung der Art CuZn31Si1 gegeben sind. Letztere Legierung wird üblicherweise in Form gewalzter Messingbänder verarbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen kaltverformbaren Werkstoff für auf Gleitung, Reibung und Verschleiß beanspruchte Werkstücke anzugeben, welcher ähnlich gute Gleit-, Verschleiß- und Notlaufeigenschaften aufweist, wie ein Werkstoff CuSn8, der andererseits jedoch aufgrund günstiger Herstellungsmöglichkeiten einen Preis wie ein Werkstoff aus CuZn31Si1 ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Legierung mit 66-90% Cu, 1,5-8,0% Mn, 0,3-7,0%Al, 0,3-2,0% P, Rest Zink, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen von maximal 0,05% Fe und maximal 0,05% Pb vor, wobei das Phosphor in Form von Mangan-Phosphiden abgebunden und im wesentlichen oder völlig in eutektischer feiner Verteilung ausgeschieden ist und wobei ein Verhältnis von Mangan zu Phosphor von <3 : 1 (Gewichtsprozent) zur Abbindung allen Phosphors durch das Mangan besteht.

Eine Weiterbildung dieser erfindungsgemäßen Kupfer-Zink- Legierung besteht darin, daß 1,5% Nickel zugegeben werden können. Hierdurch ist eine Festigkeitssteigerung möglich.

Die Verwendung einer derartigen Legierung ist für Gleitlager, insbesondere für gerollte Lagerbuchsen vorgesehen.

Die Wirkung von Phosphiden als Verschleißminderer ist seit langem bekannt, wobei diese Phosphide üblicherweise in einer Primärausscheidung vorliegen, das heißt, daß in dem Werkstoff große Phosphidteile vorliegen. Ein Kaltwalzen eines derartigen Werkstoffes ist wegen dieser groben Ausscheidungen nicht möglich, der Werkstoff bricht.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß bei einer Legierung der vorgenannten Zusammensetzung bei einer Temperatur von etwa 950°C eine eutektische Ausscheidung von Mangan-Phosphiden auftritt. Diese Ausscheidungen sind viel kleiner als primär ausgeschiedene Phosphide. Dadurch ist die Legierung gut kaltformbar. Hinzu kommt, daß die Matrix eines Werkstoffs aus der erfindungsgemäßen Legierung überwiegend aus α-Mischkristallen besteht, wodurch ebenfalls die Kaltverformbarkeit günstig beeinflußt wird.

Der Verschleißwiderstand einer derartigen Legierung weist einen sehr guten Wert auf, der sogar noch steigerbar wäre, jedoch zu Lasten einer Verminderung der Kaltformbarkeit. Diese Steigerung wäre bei Gehalten an der unteren Grenze des Phosphors (0,3%) möglich, wobei sich dann jedoch bereits mehr primäres Phosphid ausscheiden und damit die Kaltformbarkeit beeinträchtigen würde. Wichtig ist, daß ein Verhältnis des Mangans zu Phosphor von <3 : 1 eingehalten wird, da dann alles Phosphor durch Mangan abgebunden ist. Die stöchiometrische Zusammensetzung von Mangan und Phosphor liegt bei 3,26 : 1, also in diesem Bereich.

Wichtig für das Vorhandensein einer eutektischen Ausscheidung von Mangan-Phosphiden ist ferner, daß Eisen überhaupt nicht oder maximal bis zu 0,05% in der Schmelze vorliegt, bei höheren Eisengehalten würde sich kein Eutektikum ausbilden. Wichtig für die Möglichkeit einer Warmverformung bei der Herstellung des Werkstoffs ist auch, daß Blei nur maximal bis 0,05% in der Schmelze vorhanden ist.

Durch die Menge des zugegebenen Aluminiums ist die eutektische Ausscheidung steuerbar, nämlich dahingehend, daß der Gehalt an Mangan und Phosphor um so höher sein kann, je höher der Gehalt an Aluminium ist. Wird andererseits jedoch zu viel Phosphor im Verhältnis zu Aluminium zulegiert, so erstarrt ein Teil der Manganphosphide primär, mit den bereits vorgenannten unerwünschten Auswirkungen für die Verarbeitbarkeit.

Die Legierung ist durch das nachfolgend beschriebene, an sich bereits bekannte Verfahren herstellbar. Es wurden 1-kg-Proben an Luft erschmolzen und in Stahlkokillen bei einer Temperatur von 1150°C abgegossen. Anschließend wurden die Blöcke bei 800°C mit einer Verformung von 50% geschmiedet. Durch nachfolgendes Abfräsen wurde die Oberfläche der geschmiedeten Blöcke von Gußfehlern und Zunder befreit und nachfolgend die Proben um 40% kaltverformt. Schließlich wurden die Proben 2 Stunden lang bei 550°C zwischengeglüht und anschließend nochmals eine Kaltverformung um 85% aufgebracht.

Die Herstellung von Gleitlagern aus nahtlosen Rohren ist in Anwendung des vorgenannten Verfahrens sowohl im Kokillenguß als auch im Stranggußverfahren möglich. Die entstehenden Rohre werden durch Strangpressen als Warmverformung und anschließendes Ziehen als Kaltverformung hergestellt. Diese Kaltverformung kann auch in mehreren Schritten mit zwischengeschalteten Glühschritten erfolgen. Von den Rohren werden die Gleitlager in gewünschter Länge abgestochen und ihre Rohrinnenfläche gegebenenfalls nachbearbeitet.

Die Herstellung gerollter Lagerbuchsen erfolgt vorzugsweise aus Bändern. Zu diesem Zweck wird der Werkstoff im Stranggußverfahren oder in Kokillenguß zu Brammen vergossen. Diese Brammen werden anschließend zu Bändern zunächst warmgewalzt und später durch Kaltwalzen weiter verformt. Auch hier kann die Kaltverformung in mehreren Schritten mit jeweils einem Zwischenglühschritt erfolgen.

Als weitere Möglichkeit, Bänder für gerollte Lagerbuchsen zu erzeugen, besteht im Bandgußverfahren. Dabei wird die Schmelze in spezifischen Bandgußmaschinen direkt zu Bändern vergossen. Bei diesem Verfahren erstarrt der Werkstoff prinzipbedingt sehr schnell und ermöglicht bei gleicher Zusammensetzung wie in den vorbeschriebenen Herstellungsverfahren, einen höheren Gehalt an Manganphosphiden in eutektischer Verteilung. Diese gegossenen Bänder werden nicht mehr warmverformt, sondern können sofort kaltgewalzt werden. Zwischen den einzelnen Kaltverformungsschritten ist jeweils eine Zwischenglühung möglich.

Im nachfolgenden sollen als Beispiel einige untersuchte Proben in ihrer Zusammensetzung und in ihren physikalischen Eigenschaften dargestellt werden.

Tabelle 1

Zusammensetzungen (alles in Gewichtsprozent)

Tabelle 2

Härtegrade (Brinell) während des Herstellungsverfahrens

Tabelle 3

Verschleiß- und Reibwert

Die erfindungsgemäße Legierung hat einen bevorzugten Bereich der Zusammensetzung von 70-78% Cu, 3-5% Mn, 0,8-3,5% Al, 0,5-1,0% P, sowie 14-25% Zn. Aus den vorstehenden Beispielen erkennt man, daß eine Zusammensetzung gemäß Legierung 3 hinsichtlich Härte und Verschleißverhalten das beste Ergebnis aufweist. Wenngleich die Verschleißfestigkeit nicht ganz die Werte der zum Vergleich herangezogenen Legierung CuSn8 erreicht, so ist doch aufgrund des gewählten Meßverfahrens mit der Stift-Walze-Methode erkennbar, daß - übliche Toleranzen bei der Messung eingerechnet - die Verschleißfestigkeit der Legierung 3 in der Größenordnung von derjenigen der Vergleichslegierung liegt. Bei den Meßwerten ist dabei zu berücksichtigen, daß jeweils von jeder Legierung 2 Proben gemessen wurden. Bei den Herstellkosten werden mit der erfindungsgemäßen Legierung die Herstellkosten von Messingbändern der eingangs genannten Legierung CuCn31Si1 erreicht.

Claims (5)

1. Kupfer-Zink-Legierung mit Phosphiden, welche in eutektischer Form im Gefüge enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 66-90% Cu, 1,0-8,0% Mn, 0,3-7,0% Al, 0,3-2,0% P, Rest Zink, sowie unvermeidbare Verunreinigungen von max. 0,05% Fe und max. 0,05% Pb enthält, wobei das Phosphor in Form von Mangan-Phosphiden abgebunden und im wesentlichen oder völlig in eutektisch feiner Verteilung ausgeschieden ist und wobei das Verhältnis von Mangan zu Phosphor von <3 : 1 (Gewichtsprozent) zur Abbindung allen Phosphors durch das Mangan besteht.

2. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise bis zu 1,5% Ni zugegeben sind.

3. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 70-78% Cu, 3-5% Mn, 0,8-3,5% Al, 0,5-1,0% P sowie 14-25% Zn enthält.

4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 für auf Gleitung, Reibung und Verschleiß beanspruchte Werkstücke, insbesondere Gleitlager.

5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 4 für gerollte Lagerbuchsen.