DE1194153B

DE1194153B - Verwendung einer Kupfer-Mangan-Zink-Legie-rung als Werkstoff fuer einer Gleitbeanspruchung ausgesetzten Maschinenteile

Info

Publication number: DE1194153B
Application number: DEV15237A
Authority: DE
Inventors: Dr Eugen Vaders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1958-10-18
Filing date: 1958-10-18
Publication date: 1965-06-03

Description

Verwendung einer Kupfer-Mangan-Zink-Legierung als Werkstoff für einer Gleitbeanspruchung ausgesetzten Maschinenteile Neben den Kupfer-Zinn-Bronzen, die als die klassischen Lagermetalle auf Kupferbasis gelten, sind in den vergangenen Jahrzehnten auch Kupfer-Zink-Legierungen entwickelt worden, die so günstige Lagermetalleigenschaften aufweisen, daß sie schon vor Jahren in die Deutschen Industrie-Normen aufgenommen wurden. Es handelt sich um die Sondermessinge mit den Kurzzeichen SoMs 58 Al 1, SoMs 58 A12 und SoMs 68 nach DIN 17661. Ähnliche Legierungen werden auch in außerdeutschen Ländern zur Herstellung von Lagern, vor allem von Lagerbüchsen viel verwendet. Die wichtigsten dieser Legierungen enthalten außer Kupfer und Zink Silizium als Hauptträger der Lagermetalleigenschaften, so besonders das SoMs 68. In den übrigen Legierungen finden sich außerdem Zusätze an Eisen, Mangan, Nickel, Aluminium usw.
Weiter sind Kupfer-Zink-Legierungen als Lagermetalle bekanntgeworden, die bei einem Kupfergehalt von 54 bis 620/0 bis 1011/0 an Mangan, Aluminium, Eisen, Zinn und/oder Nickel und außerdem noch Phosphor enthalten. Bei der Vielzahl der angegebenen möglichen Zusatzmetalle ist jedoch aus der betreffenden Patentschrift nicht klar zu entnehmen, welcher Zusatz Legierungen mit den günstigsten Lagermetalleigenschaften liefert. Nach einer anderen Angabe sollen Kupfer-Zink-Legierungen mit 56 bis 68 °/o Kupfer, die 8 bis 16 °/o Mangan und Aluminium gleichzeitig enthalten, für hochbeanspruchte Maschinenteile Verwendung finden. Schließlich gehören zum Stande der Technik als Lagermetall zu verwendende Sondermessinge mit einem Mangangehalt bis zu 501,) neben weiteren Zusätzen. Alle diese Legierungen werden als Lagermetalle auch im warmverformten Zustand verwendet, das SoMs 68 sowie die erwähnte phosphorhaltige Legierung jedoch sowohl im warm- als auch kaltverformten Zustand, nachdem sich diese Legierungen wegen eines geringen Gehaltes an Zusatzmetallen verhältnismäßig gut auf kaltem Wege durch Ziehen zu Rohren verarbeiten lassen. Diese gute Kaltverformbarkeit wird durch die üblichen Zusätze, welche die Sondermessinge enthalten, nämlich Nickel, Aluminium, Eisen, Silizium usw., stark beeinträchtigt, so daß derartige Legierungen, wie auch die Sondermessinge 58 A1 1 und 58 A12, sich zwar sehr gut warm, jedoch kaum kalt verarbeiten lassen. Die gut kalt verformbaren, bisher bekannten Legierungen haben andererseits nur eine beschränkte Belastbarkeit als Lagermetall und sind außerdem temperaturempfindlich, da sie neben Kupfer und Zink nur geringe Zusätze aufweisen, die zwar die Lagermetalleigenschaften der reinen Kupfer-Zink-Legierungen verbessern, nicht aber die Widerstandsfähigkeit gegen Erwärmung. Infolgesedsen können solche Kupfer-Zink-Legierungen nicht zur Herstellung von Lagern in Verbrennungsmotoren verwendet werden. Man hat daher im Automobilbau nach anfänglicher Verwendung der Sondermessinge vielfach wieder -auf die Kupfer-Zinn-Legierungen zurückgegriffen.
Nach der Erfindung soll eine Kupfer-Mangan-Zink-Legierung zur Herstellung aller Arten von gegossenen oder durch Warm- und Kaltverformung hergestellten Maschinenteilen, die einer Gleitbeanspruchung ausgesetzt sind, wie Lager und Lagerbüchsen, Schneckenräder, Zahnräder, Gleitschuhe usw., verwendet werden. Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung besteht aus mehr als 6 bis weniger als 20 °/o Mangan, über 63 bis 80 °/o Kupfer, Rest Zink. Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine solche Kupfer-Mangan-Zink-Legierung bei genügend hohem Mangangehalt sich nicht nur ausgezeichnet als Lagermetall eignet, sondern daß sie andererseits auch warm und kalt verarbeitbar ist. Gute Gleiteigenschaften lassen sich bei Kupfer-Zink-Legierungen durch verschiedene Zusätze erzielen. In erster Linie sind Silizium und Aluminium zu diesem Zweck verwendet worden. Beide machen die Kupfer-Zink-Legierung hart und kalt nicht oder nur schwer verarbeitbar, wenn sie in einer Menge zugegeben werden, die zur Erzielung der Lagermetalleigenschaften erforderlich ist. Das Mangan dagegen setzt die Ziehbarkeit selbst bei höheren Gehalten bei weitem nicht in gleichem Maße herab.
Besonders geeignete erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen haben folgende Zusammensetzung: 1. 63,5 bis 70 "/"Kupfer, 6,5 bis 8 Mangan, Rest Zink.
2. 63,5 bis 75°/o Kupfer, 8 bis 15 °/o Mangan, Rest Zink. Die innerhalb der obigen Grenzen gelegene Legierung mit 70 % Kupfer, 8 % Mangan und 22 % Zink hat eine Festigkeit von 46 kg/mm" und eine Dehnung von 520/0 bei einer Brinell-Härte von 72 kg/mm2.
Im Vergleich hierzu wurde bei dem SoMs 68 nach DIN 17661 nur eine Festigkeit von 45 kg/mm2 bei einer wesentlich geringeren Dehnung von nur 35 0/0 und einer Brinell-Härte von 100 kg/mm2 erreicht. 10/0 Silizium härtet also wesentlich stärker als 8 % Mangan. Beide Legierungen wurden als Lagermetall untersucht, und es ergab sich, daß bei der Kupfer-Mangan-Zink-Legierung auf dem Prüfstand eine Belastung von 606 kg/cm2 erreicht werden konnten, während bei dem SoMs 68 die Höchstbelastbarkeit nur 305 kg/cm2 ergab.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können weiter 0,1 bis 5% Eisen, 0,1 bis 8% Nickel und/oder 0,05 bis 1,5% Aluminium enthalten. Bei den eisenhaltigen Kupfer-Mangan-Zink-Legierungen haben sich Legierungen innerhalb folgender Gehaltsgrenzen als besonders geeignet erwiesen: 65 bis 70% Kupfer, 6,1 bis 100/, Mangan, 0,5 bis 3 % Eisen, Rest Zink oder 63,5 bis 75% Kupfer, 8 bis 15 % Mangan, 0,5 bis 3 % Eisen, Rest Zink. Spielt die Kaltverarbeitung eine besondere Rolle, so ist ein niedrigerer Eisengehalt zu wählen, da durch den Eisenzusatz die Härte der Legierung heraufgesetzt wird, nachdem das Mangan die Löslichkeit des Eisens fördert.
Auch die nickelhaltigen Legierungen lassen sich in ähnlicher Weise gut verarbeiten. Bevorzugte erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen liegen in den Grenzen 63,5 bis 70% Kupfer, 6,5 bis 15% Mangan, 0,5 bis 50/0 Nickel, Rest Zink. Durch einen Aluminiumzusatz, der an sich die Lagermetalleigenschaften bei kleinen Anteilen nicht nachteilig beeinflußt, wird die Gießbarkeit verbessert. Gehalte an Aluminium von mehr als 1,5% machen dagegen die Legierungen zu hart, so daß sie sich besonders bei höheren Mangangehalten nur schlecht kalt verformen lassen. Der Aluminiumgehalt soll daher vorzugsweise nur 0,1 bis 1% betragen. Nachstehend ein Legierungsbeispiel: 65 bis 75% Kupfer, 6,5 bis 15% Mangan, 0,1 bis l0/0 Aluminium, Rest Zink. Erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen, die in diesen Bereich fallen, lassen sich noch gut kalt verformen. So konnte ein Versuchsblock um 80% kalt und warm abgewalzt werden, ohne daß das erhaltene Blech an allen vier Kanten irgendwelche Einrisse zeigte. Bei Legierungen mit höherem Aluminiumgehalt treten dagegen Kantenrisse auf. Eine Anzahl weiterer erfindungsgemäß zu verwendender Legierungen ergeben sich aus nachstehendem Beispiel: 63,5 bis 75 % Kupfer, 6,5 bis 15% Mangan, 0,5 bis 3,5% Eisen, 0,5 bis 5% Nickel, Rest Zink. Die Legierung mit 65 % Kupfer, 3,2 % Eisen, 15 0/0 Mangan, 2% Nickel, Rest Zink ließ sich von 6 an 1,4 mm so gut kalt walzen, daß das Fertigblech an keiner Kante den geringsten Einriß zeigte. Die Kanten waren vielmehr ganz glatt.
Bekannte Kupfer-Zink-Legierungen für Lagerzwecke enthalten weniger Mangan, als nach der Erfindung als zweckmäßig erkannt wurde. Der Mangangehalt solcher Legierungen beträgt bis zu 3 0/0, in einigen Fällen bis zu 5 0/0. Daß ein Mangangehalt in diesen Grenzen zur Erzielung überlegener Laufeigenschaften nicht genügt, ergab ein Versuch mit einer Legierung mit 5 % Mangan, der außerdem noch 5 % Nickel und 1% Eisen zur Verringerung des Zinkanteils mit seinen bekannten nachteiligen Eigenschaften zugesetzt waren. Die Belastbarkeit dieser Legierung war nur 212 kg/cm2. Das Versuchslager wurde bei dieser Belastung blokkiert, die Lauffläche der Lagerbüchse beschädigt und Metallteile auf die Welle aufgetragen.
Es sind andererseits auch Kupfer-Zink-Legierungen mit höherem Mangangehalt bekanntgeworden, die für Lagerzwecke geeignet sein sollen. Diese Legierungen enthalten jedoch einen Aluminiumgehalt von 2 bis 8 0/0, wodurch die Kaltverformbarkeit sehr stark vermindert oder aufgehoben wird. Eine gute Kaltverformbarkeit ist aber eines der wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen. Eine andere bekannte Kupfer-Zink-Legierung kann Aluminium und Mangan in einer Menge von zusammen 10 bis 14% enthalten. Sie wird ausdrücklich als eine Legierung mit hoher Festigkeit bezeichnet, bei der gleichzeitig gute Gleiteigenschaften vorhanden sein sollen. Eine gute Ziehbarkeit im kalten Zustand besitzen diese Legierungen nicht, was schon aus dem verhältnismäßig niedrigen Kupfergehalt von 56 bis 60% Kupfer hervorgeht.
Zu den vorstehend näher beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können auch noch Zusätze von 0,01 bis 1% Chrom und 0,01 bis 10/0 Silizium einzeln oder zusammen gemacht werden. Vorzugsweise sollen die Gehalte an Chrom und Silizium je 0,01 bis 0,5% betragen, um eine zu große Härtesteigerung, welche die Kaltverarbeitbarkeit ebenfalls herabsetzen würde, zu vermeiden. Im übrigen dienen die Chrom- und Siliziumzusätze, wie sich gezeigt hat, zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, die eine bei Lagermetallen wertvolle Eigenschaft ist.
Den Einfluß von Chrom und Silizium auf die Härte der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen zeigt die nachstehende Gegenüberstellung:

Härte von

Cu °/o Mn °/o Ni °/o Al °/o Cr °(p si °/a Zn °/o Kokillen-

guß

75 6,1 - 0,5 - - 18,4 67,5

75 6,1 - 0,5 0,5 - 18,0 95

70 8 2 - - - 20,0 83

70 8 2 - - 0,3 19,7 104

Bevorzugte Zusammensetzungen sind die folgenden: 1. 63,5 bis 75 °/o Kupfer, 6,1 bis 15°/o Mangan, . 0,1 bis 0,5 °/o Chrom, Rest Zink, 2. 63,5 bis 75 °/o Kupfer, 6,5 bis 15 °/o Mangan, 0,1 bis 0,60/, Silizium, Rest Zink.
Zu den obigen Beispielen können noch Eisen, Nickel oder Aluminiumin den bereits genannten Mengen treten. Die Lagermetalleigenschaften einer erfindungsgemäß zu verwendenden Kupfer-Mangan-Zink-Legierung mit weiteren Zusätzen im Rahmen der Erfindung wurden eingehend über eine Versuchsdauer von 10 Tagen auf dem Prüfstand untersucht. Die Endbelastbarkeit betrug bei mehreren Versuchen jeweils 800 bis 885 kg je cm2. Nach der »Zeitschrift für Metallkunde«, 1954, S. 531, konnten auf demselben Prüfstand unter gleichen Bedingungen bei Gbz 14 nur 580 kg/cm2 und bei Bleibronze (800/, Kupfer, 100/, Zinn, 100/, Blei) nur 676 kg/cm2 im Maximum erreicht werden. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen stellen also eine wertvolle Bereicherung der Technik dar, da sie nicht nur mechanisch den bisher in erster Linie als Lagermetalle verwendeten Kupferlegierungen weit überlegen sind, sie haben dazu noch den Vorteil des billigeren Preises. Sie lassen sich außerdem ohne Schwierigkeiten gießen, pressen, kalt ziehen und walzen, so daß besonders Rohre und Bleche als Ausgangsmaterial für Lagerbüchsen mit Vorteil aus ihnen hergestellt werden können.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer Kupfer-Mangan-Zink-Legierung, bestehend aus über 63 bis 80 °/o Kupfer, mehr als 6 bis weniger als 20 °/o Mangan, Rest Zink, als Werkstoff für gegossene oder durch Warm- oder Kaltverformung hergestellte, einer Gleitbeanspruchung, insbesondere bei erhöhter Temperatur, ausgesetzte Maschinenteile, wie Lager, Lagerbüchsen, Schneckenräder,. Zahnräder und Gleitschuhe.
2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung für den im Anspruch 1 genannten Zweck, wobei die Maschinenteile aus einem in Rohr- oder Stangenform vorliegenden Halbzeug gefertigt sind, das aus einem Gußblock durch Warmpressen und gegebenenfalls nachgeschaltetem Kaltziehen hergestellt worden ist.
3. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung für den im Anspruch 1 genannten Zweck, wobei die Maschinenteile, insbesondere Lagerbüchsen, aus Blechen gefertigt sind, die aus Gußblöcken durch Warm- und Kaltwalzen, gegebenenfalls nur durch Warm- oder Kaltwalzen hergestellt worden sind.
4. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, die jedoch zusätzlich noch 0,1 bis 5 °/o Eisen enthält, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck.
5. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 oder 4 angegebenen Zusammensetzung, die jedoch zusätzlich noch 0,1 bis 8 °/a Nickel enthält, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck.
6. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1, 4 oder 5 angegebenen Zusammensetzung, die jedoch zusätzlich noch 0,05 bis 1,501, Aluminium enthält, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck.
7. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1, 4, 5 oder 6 angegebenen Zusammensetzung, die jedoch zusätzlich noch 0,01 bis 10/, Chrom und/ oder 0,01 bis 10/, Silizium enthält, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. B. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 70 °/o Kupfer, 6,5 bis 8 °/o Mangan, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 9. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 75 °/o Kupfer, 8 bis 15 °/o Mangan, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 10. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 65 bis 70 °/o Kupfer, 6,1 bis 10 °/o Mangan, 0,5 bis 3 °/o Eisen, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 11. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 75 °/o Kupfer, 8 bis 1 5 °/o Mangan, 0,5 bis 3 °/o Eisen, Rest Zink, für de-j3 in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 12. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 5 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 70°/o Kupfer, 6,5 bis 15°/o Mangan, 0,5 bis 5 °/o Nickel, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 13. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 6 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 65 bis 750/0 Kupfer, 6,5 bis 1501, Mangan, 0,1 bis 10/0 Aluminium, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 14. Verwendung einer Legierung der in den Ansprüchen 4 und 5 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 750/, Kupfer, 6,5 bis 15010 Mangan, 0,5 bis 3,5 °/o Eisen und 0,5 bis 5 °/o Nikkel, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 15. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 7 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 75°/o Kupfer, 6,1 bis 15°/o Mangan, 0,1 bis 0;5 °/o Chrom, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. 16. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 7 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63,5 bis 75 °/o Kupfer, 6,5 bis 15 °/o Mangan, 0,1 bis 0,6 °/o Silizium, Rest Zink, für den in einem der Ansprüche 1 bis 3 genannten Zweck. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 686 321, 721917, 753 251; schweizerische Patentschrift Nr. 329 106; französische Patentschrift Nr. 967 018; britische Patentschrift Nr. 601027; USA.-Patentschrift Nr. 2 479 596; »Auszüge deutscher Patentanmeldungen«, 1948, Vol. 19, S. 449 (Aktenzeichen V 38245 VIa/40b); R e i n g 1 a s s, »Chemische Technologie der Legierungen«, 1926, 2. Auflage, S. 361.