DE3642825C1 - Use of a copper-nickel-aluminium-tin alloy as a material for slide bearings - Google Patents

Use of a copper-nickel-aluminium-tin alloy as a material for slide bearings

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DE3642825C1
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    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/06Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02Parts of sliding-contact bearings
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    • F16C33/06Sliding surface mainly made of metal
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Nickel- Aluminium-Zinn-Legierung als Gleitlagerwerkstoff. Gestalt und Lagerwerkstoff sowie Betriebsbedingungen und Beanspruchungen beeinflussen die technische Lebensdauer von Gleitlagern. Von einem guten Lagerwerkstoff werden u. a. folgende Eigenschaften verlangt: Hohe Verschleißfestigkeit, gute Notlaufeigenschaften, gute Gleiteigenschaften, hohe Belastbarkeit, hohe Wechselfestigkeit, gute Einbettfähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und geringe Neigung zum Verschweißen. Als Gleitlagerwerkstoff wurden bisher Legierungen mit Guß- oder Knetgefüge, u. a. Zinnbronze (z. B. CuSn8), Aluminiumbronze (z. B. CuAl11Ni) oder Sondermessinge (z. B. CuZn31Si1, CuZn40Al2) eingesetzt. Einige der o. g. Forderungen sind allerdings gegensätzlicher Natur, so daß sie sich nicht in einem einzigen Werkstoff verwirklichen lassen. Es muß daher jeweils nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen derjenige Lagerwerkstoff gewählt werden, der die optimale Lösung ergibt. Es besteht daher ein Bedarf an guten Lagerwerkstoffen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung vorzuschlagen, die insbesondere eine hohe Festigkeit aufweist und durch deren Einsatz die Lebensdauer von Gleitlagern verlängert wird.
Die Aufgabe wird überraschenderweise durch die Verwendung einer Kupfer-Nickel-Aluminium-Zinn-Legierung gelöst, die aus 4 bis 10% Nickel, 1 bis 3% Aluminium, 1 bis 3% Zinn, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, besteht (die Prozentangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht).
Die vorgeschlagene Legierung weist günstige Eigenschaftskombinationen hinsichtlich Streckgrenze R p 0,2, Bruchfestigkeit R m , Bruchdehnung A₅ und Härte auf (Bestimmung von R p 0,2, R m und A₅ nach DIN 50 145).
Die günstigen Auswirkungen hinsichtlich der Lebensdauer von Gleitlagern werden noch an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Die Zusammensetzung von Kupferlegierungen der genannten Art ist zwar aus der US-PS 20 61 897 bekannt, dort wird allerdings nur der Einsatz der Kupferlegierung für korrosionsgefährdete Leitungsrohre empfohlen.
Als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird die Verwendung einer Kupfer-Legierung entsprechend der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 2 bis 7 empfohlen. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn der Gleitlagerwerkstoff eine Streckgrenze R p 0,2, von etwa 600 bis 950 N/mm², insbesondere 600 bis 850 N/mm², eine Bruchdehnung A₅ von 5 bis 20%, insbesondere 5 bis 15%, und eine Brinell-Härte HB von mindestens 230 aufweist. Die Erfindung wird an Hand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Ausführungsbeispiel
Es wurden Gußbolzen, bestehend aus 8,0 Gew.-% Nickel, 1,6 Gew.-% Aluminium und 1,7 Gew.-% Zinn, Rest Kupfer, im Stranggießverfahren hergestellt. Nach einer homogenisierenden Glühung zum Ausgleich von Konzentrations-Differenzen des Gußgefüges, z. B. 700°C und 10 h Glühdauer wurden bei 850°C Rohre der Abmessung 48×4 mm stranggepreßt und an der Presse mit Wasser abgeschreckt. Nach Kaltumformung um etwa 40% relativer Umformung an die Rohrabmessung 35×3 mm und dreistündiger Wärmebehandlung bei 500°C standen für die Herstellung von Gleitlager-Buchsen Vorrohre mit folgenden mechanischen Eigenschaften zur Verfügung:
Streckgrenze R p 0,2810 N/mm² Bruchfestigkeit R m 845 N/mm² Bruchdehnung A₅7,0% Brinell-Härte245 HB
Aus diesen Rohren wurden zum Vergleich des Werkstoffes mit marktgängigen Lagerwerkstoffen Buchsen der Abmessung 34×2 mm bei 20 mm Breite durch spangebende Bearbeitung hergestellt.
Es wurden jeweils ausschließlich Buchsen mit glatter Innenfläche ohne Schmiernuten oder Fett-Taschen verwendet.
Die Vergleichsversuche mit gebräuchlichen Gleitlagerwerkstoffen wurden an einer Lagerprüfmaschine durchgeführt, in der das Gleitlager oszillierend zu einer feststehenden Welle bewegt wird. Über einen Hebelmechanismus kann über diese Welle eine einstellbare Belastungskraft in das zu prüfende Gleitlager geleitet werden. Im Falle der Vergleichsversuche betrug die Belastung 3330 N/cm² Buchsenbelastung. Es erfolgten 100 Wechsel/Minute bei einem Schwenkwinkel von ±80°.
Als Anfangsschmierung erhielten alle geprüften Gleitlager eine einzige Füllung mit Lithium-verseiftem Schmierfett, die im Verlaufe des Versuches anschließend nicht mehr ergänzt wurde. Die Vergleichsversuche simulierten die Anlauf- und Auslaufbedingungen in Gleitlagern, wobei fortwährend Übergänge zwischen Stillstand und maximaler Gleitgeschwindigkeit stattfinden.
Das Versuchsende war dann erreicht, wenn durch beginnendes Fressen im Gleitlager auf den Wellenzapfen ein Drehmoment übertragen wurde, das zum Abschalten der Maschine führte.
Die Vergleichsversuche wurden mit Werkstoffen nach folgender Tabelle durchgeführt:
Buchsen-WerkstoffBrinell-Härte HB
CuZn31Si 85 CuZn31Si142 CuSn8 95 CuSn8142 CuNi8AlSn245
Wellenwerkstoffe:
  • 1.) Stahl St37 blank;
    Rockwell-Härte B HRB=90/
    Brinell-Härte HB=216
    Wellenrauhigkeit: R z =5 bis 20 µm
    (gezogene Oberfläche)
  • 2.) Kugellagerstahl 100 Cr6;
    Rockwell-Härte C HRC=60
    Wellenrauhigkeit: R z =2 bis 4 µm
    (geschliffene Oberfläche)
Buchsenrauhigkeit:
  • R z =2 bis 4 µm
    (Bestimmung der Rauhigkeit R z nach DIN 4768)
Mit der erfindungsgemäß verwendeten Zusammensetzung (CuNi8AlSn) ergab sich bei Verwendung der beiden o. g. Wellenwerkstoffe gegenüber den anderen Lagerwerkstoffen eine Erhöhung der Lebensdauer des Gleitlagers mindestens um den Faktor 10.

Claims (10)

1. Verwendung einer Kupfer-Nickel-Aluminium-Zinn-Legierung, bestehend aus
  • 4 bis 10% Nickel,
  • 1 bis 3% Aluminium,
  • 1 bis 3% Zinn,
  • Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen,
als Gleitlagerwerkstoff.
2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 7,5 bis 8,5% Nickel für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 1,4 bis 1,8% Aluminium; für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 7,5 bis 8,5% Nickel und 1,4 bis 1,8% Aluminium; für den Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 1,4 bis 2,0% Zinn für den Zweck nach Anspruch 1.
6. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 7,5 bis 8,5% Nickel und 1,4 bis 2,0% Zinn; für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 7,5 bis 8,5% Nickel; 1,4 bis 1,8% Aluminium und 1,4 bis 2,0% Zinn; für den Zweck nach Anspruch 1.
8. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Gleitlagerwerkstoff, der eine Streckgrenze R p 0,2 von etwa 600 bis 950 N/mm², eine Bruchdehnung A₅ von 5 bis 15% und eine Brinell-Härte HB von mindestens 230 aufweist.
9. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Gleitlagerwerkstoff, der eine Streckgrenze R p 0,2 von etwa 600 bis 850 N/mm², eine Bruchdehnung A₅ von 5 bis 20% und eine Brinell-Härte HB von mindestens 230 aufweist.
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