EP1279749A1

EP1279749A1 - Aluminiumbronze mit hoher Verschleissfestigkeit

Info

Publication number: EP1279749A1
Application number: EP02016598A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dr. Rexer; Karin Liebig
Original assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2003-01-29
Also published as: DE10136788A1; BR0202859A; CN1400326A; DE10136788C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumbronze der Zusammensetzung 7 - 9,5% Al, 7 - 9,5% Fe, 7 - 11% Ni, 1,5 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1%. Die Legierung besitzt eine hohe Beständigkeit gegen reibenden Verschleiß und einen hohen Reibungsbeiwert und ist für die Anwendung bei Synchronringen gedacht.

Description

Die Erfindung bezieht auf eine Aluminiumbronze für das Anwendungsgebiet der Synchronringe.
Aluminiumbronzen sind aufgrund ihrer guten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit ein geschätzter Konstruktionswerkstoff, insbesondere auch in flüssigen Medien..
Es ist beispielsweise aus der DE PS 26 21 602 eine Aluminiumbronze mit 4 - 12 Gewichtsprozent Al, Spuren bis 1% Si und/oder Be in fester Lösung sowie 4,2 - 10% Eisensilizide, Rest Kupfer bekannt. Im Falle der Verwendung von Beryllium können bis zu 6% nicht an Eisensilizid gebundenes Eisen verwendet werden. Diese Legierung kann außerdem Nickel in einer Menge bis höchstens 7% enthalten. Bei dieser bekannten Legierung steht die Frage der Zugfestigkeit und einer hohen prozentualen Dehnung im Vordergrund. Sie ist verwendbar für gleitende Teile in Walzwerken, Werkzeugmaschinen und dergleichen.
Es ist ferner aus der DE-PS 24 58 379 eine Aluminiumbronze der Zusammensetzung 3 - 12% Al, 3 - 6% Fe, 4 - 7% Ni, sowie 0,3 - 5% Si, Rest Kupfer bekannt, welche als Werkstoff für Beizhaken dienen soll. Bei dieser Legierung kommt es auf die große Beständigkeit gegen aggressive Flüssigkeiten und damit auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit an.
Bei den Erläuterungen im Stand der Technik ist der Begriff Verschleißfestigkeit immer als geringer Materialabtrag aufgrund von Korrosion zu verstehen.
Aluminiumbronzen haben gegenüber sonstigen Kupferlegierungen z.B. Messingen den Vorteil, daß aufgrund des verwendeten Aluminiums eine Reduzierung des Teilegewichts möglich ist. Derartige Legierungen sind oxidationsbeständig aufgrund einer durch das Aluminium verursachten Schutzschicht. Aluminiumbronzen sind darüber hinaus hoch belastbare und verschleißfeste Gleitwerkstoffe, ihre hohe Festigkeit führt aufgrund der guten Gleiteigenschaften zu einer geringen Verschleißrate. Darüber hinaus sind Aluminiumbronzen gut schweißbar.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung eine Aluminiumbronze zu schaffen, welche abweichend von den bekannten Aluminiumbronzen gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegen reibenden Verschleiß und einen hohen Reibungsbeiwert für den Einsatz bei Synchronringen besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Legierung vor aus 7,5 - 9,5% Al, 7 - 9,5% Fe, 7 - 11% Ni, 1,5 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1%. Alle Angaben erfolgen in Gewichtsprozent.
Wesentlich für die Erfindung ist das Vorhandensein von ausreichend Silizium in Verbindung mit hohen Eisen- und Nickelgehalten, wodurch es zu harten intermetallischen Phasen kommt, welche eine hohe Beständigkeit gegen reibenden Verschleiß besitzen.
Im Sinne der Erfindung stellt es eine vorteilhafte Weiterbildung dar, für die Legierung einen Gehalt von 8 - 9% Al, 8 - 9% Fe, 7- 10% Ni und 3 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1% vorzusehen. Mit einer Legierung dieser Zusammensetzung lassen sich Verschleißfestigkeitswerte erzielen, welche wesentlich höher liegen als die von bisher üblichen Messingwerkstoffen für Synchronringe. Darüber hinaus haben diese Legierungen einen Reibungsbeiwert, welcher höher liegt als die bei diesen bekannten Werkstoffen üblichen Werte. Die Erfindung bringt somit einen erheblichen Fortschritt gegenüber den bisher bei Synchronringen verwendeten Messingwerkstoffen bei etwa vergleichbaren Kosten.
Zur Verbesserung der Zerspanbarkeit wird als Weiterbildung der vorgeschlagenen Aluminiumbronze ein Zusatz bis zu 0,5% Blei vorgeschlagen.
Es wurden beispielhaft drei nachfolgend erläuterte Legierungen hergestellt. Eine erste Legierung besitzt einen Gehalt von 69,9% Cu, 8,5% Al, 8,2% Fe, 9,4% Ni und 3,5% Si. Diese Legierung besitzt einen Verschleißwiderstand von 1280 km/g sowie einen Reibungsbeiwert von 0,125. Der angegebene Verschleißwiderstand ist definiert durch die Zahl der zurückgelegten Kilometer bis 1 g Materialabtrag am Synchronring erfolgt ist.
Die zweite Legierung weist einen Gehalt von 71,6% Cu, 7,9% Al, 8,5% Fe, 7,4% Ni und 3,5% Si auf. An den hieraus gestellten Synchronringen wurde ein Verschleißwiderstand von 1530 km/g und ein Reibungsbeiwert von 0,140 gemessen.
Eine dritte Legierung weist einen Gehalt von 71,5 % Cu, 8,8 % Al, 6,0% Fe, 9,3 % Ni, 3,5% Si auf. Es wurde ein Verschleißwiderstand von 1320 km/g und ein Reibungsbeiwert von 0,115 festgestellt. Wie schon erwähnt, ist Silizium für die Bildung der harten verschleißfesten intermetallischen Phasen verantwortlich. Es soll kein freies Silizium in der Lösung vorhanden sondern durch Eisen und Nickel abgebunden sein. Eisen und Nickel begünstigen zudem die Aushärtungsvorgänge.
Die vorbeschriebenen Legierungen wurden bei einer Gießtemperatur von 1120 bis 1180° C im Strang gegossen; anschließend erfolgt ein Abkühlen an Luft, wobei die Abkühlgeschwindigkeit unkritisch ist. Nach erneutem Aufheizen erfolgt eine Warmumformung durch Strangpressen bei Temperaturen von 800 bis 900° C und eine erneute Abkühlung an Luft. Schließlich wurde nach erneutem Aufheizen bei Temperaturen von 790 bis 890° C im Gesenk geschmiedet und die Legierung anschließend an Luft abgekühlt.
Aluminiumbronzen eignen sich im Gegensatz zu Messinglegierungen für eine Aushärtung zur Festigkeitssteigerung; wenn eine solche gewünscht ist, kann man nach dem Schmieden der Legierung alternativ wie folgt vorgehen.

a.) Es wird eine Homogenisierungsglühung bei 890° C während einer Stunde durchgeführt. Anschließend erfolgt ein Abschrecken, vorzugsweise im Wasser, und anschließend ein erneutes Anlassen bei einer Temperatur von 490° C während einer Zeit von 1 Stunde und zum Schluß ein Abkühlen an Luft.
b) Unmittelbar auf die Abkühlphase nach dem Schmieden wird unter Weglassung der Homogenisierungsglühung sofort eine Auslagerungsbehandlung von 330° C während 6 Stunden oder alternativ bei 410° C während 3 Stunden und anschließender Abkühlung an Luft durchgeführt. Bei diesem Aushärtungsverfahren sind die Härtesteigerungen nicht ganz so groß wie im Falle des vorbeschriebenen Verfahrens, aufgrund des Wegfalls der Homogenisierungsglühung ist dieses Verfahren jedoch kostengünstiger.

Neben der Verringerung des Abtrags auf den Reibflächen der Synchronringe aufgrund des höheren Verschleißwiderstandes erfolgt auch aufgrund der höheren Festigkeit ein geringerer Verschleiß an den Sperrzähnen der Synchronringe.
Die Form der intermetallischen Phasen ist annähernd kugelig, was unter dem Aspekt der Zähigkeit und der Duktilität der Legierung vorteilhaft ist.

Claims

Aluminiumbronze bestehend aus 7,5 - 9,5% Al, 7 - 9,5% Fe, 7 - 11% Ni, 1,5 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1%, mit hoher Beständigkeit gegen Verschleiß und hohem Reibungsbeiwert als Werkstoff für Synchronringe.
Aluminiumbronze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt aus 8 - 9% Al, 8 - 9% Fe, 7 - 10% Ni und 3 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1% besteht.
Aluminiumbronze nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis 0,5% Pb enthält.