DE2919478A1

DE2919478A1 - Kupfer-zink-legierung und ihre verwendung

Info

Publication number: DE2919478A1
Application number: DE19792919478
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Schmidt
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1980-11-27
Also published as: GB2049727A; DE2919478C2

Description

Fa. DIEPiL GMBH & CO., Stephanstr. 49, 8500 Nürnberg

Kupfer-Zink-Legierung und ihre Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem Gefüge, bei dem in eine Grundmatrix aus kubisch-raumzentriertem /3-Mischkristall ein Bestandteil an kubisch-flächenzentriertem oc-Mischkristall eingebettet ist, sowie eine Verwendung einer solchen Legierung.

Kupfer-Zink-Legierungen mit einem derartigen a^8-Mischgefüge gehören bereits zum Stand der Technik. So ist bereits aus der DE-AS 11 94 592 ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen oder Halbfabrikaten bekannt, bei dem, ausgehend von einem Son» dermessing, durch eine spezielle Wärmebehandlung ein Werkstoff mit einem Mischgefüge erzeugt wird, in dem 5 bis 50 % OL-Ausscheidung in der yö-Phase vorhanden sind. Die daraus hergestellten Halbzeuge und Halbfabrikate werden für Produkte verwendet, bei denen eine gute Bearbeitbarkeit, gleichmäßiger Reibungsbeiwert sowie hohe Verschleißfestigkeit gefordert werden, insbesondere für Synchronringe.

Weiterhin ist es für den gleichen Verwendungszweck aus der DE-OS 15 58 817 bereits bekannt, auch bei anderen Bösislegie» rungen, wie z. B. Kupfer-Aluminium, ein analoges cc/ß-Miechge«· füge zu erzeugen, bei dem ebenfalls 5 bis 50 % QL-Anteil in der p-Mutterphase vorhanden sind. Die hierbei verwendeten Legierungen enthalten neben einem Cu-Anteil von mindestens 50 % obligatorische Zusätze an Al, Ni und Mn und können ferner Zn, Fe, Si, P, Pb und Sn enthalten. Durch eine große Variationsbreite der Zusätze werden dabei die Möglichkeiten verbessert, die

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mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs aufeinander abzustimmen und dadurch beispielsweise über einen weiten Festigkeitsbereich einen gleichbleibenden Reibungsbeiwert zu erzielen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere die in der DE-AS 15 58 817 vorgeschlagenen Aluminium-Bronzen, z. B. des Typs CuAHOFe bzw. CuAHONi, den gestiegenen Beanspruchungen, die infolge höherer Motorleistungen sowie neuer Konstruktionsprinzipien im Automobilbau an Synchronringe gestellt werden, heute nicht mehr in jedem Fall genügen. Bei entsprechenden Untersuchungen fielen - zumindest für den untersuchten Getriebetyp - aus diesen Werkstoffen hergestellte Synchronringe infolge übermäßigen Verschleißes am Reibgewinde vorzeitig aus.

Um angesichts solcher Unzulänglichkeiten die Verschleißeigenschaften von Synchronring-Werkstoffen dennoch in etwa den Anforderungen anzupassen, werden immer häufiger Sondermessinpe verwendet, die mit einer zusätzlichen Beschichtung, ζ. Β. aus Molybdän, versehen sind. Diese Maßnahme aber kann allein schon aus Kostengründen nur den Charakter einer behelfsmäßigen Lösung tragen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Werkstoff bereitzustellen, dessen mechanische Eigenschaften gegenüber denjenigen der bisher für die Herstellung von Synchronringen verwendeten Werkstoffe so weit verbessert sind, daß sie den gestiegenen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit, voll gerecht werden. Dabei soll dieser Werkstoff gut bearbeitbar und einfach und preisgünstig herzustellen sein.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie bei einer Legierung der eingangs genannten Art vorsieht, daß diese aus 68 - 75% Cu, 6 - 8% Mn, 4 - 6% Al, 1 - 4% Si, 1 - 3% Fe, 0,5 - 1,5% Pb, bis zu 0,2% Ni, bis zu 0,2$ Sn, Rest Zn besteht und ein Gefüge aufweist, in dem 60 - 85, vorzugsweise etwa 65 - 70% et-Mischkristalle in überwiegend feindisperser Verteilung in der ß-Phase eingelagert sind.

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Die aus dieser Legierung hergestellten Synchronringe verfügen nicht nur über eine wesentlich verbesserte Verschleißfestigkeit, sie weisen zugleich einen beträchtlich gesteigerten Reibwert auf. Weiterhin besitzen die aus der erfindungsgemäßes, Legierung hergestellten Halbzeuge eine gute Bearbeitbarkeit,, wobei sie sich aufgrund des relativ hohen Aluminiumanteils xmü obwohl gegenüber den bisher gebräuchlichen Sondermessingren eis, Härteanstieg bei Raumtemperatur zu verzeichnen ist, erstaunlieh gut kaltverformen lassen.

Die Anwesenheit der in der Kupfer-Zlnk-Legierung nach der Erfindung obligatorisch vorgesehenen Anteile von 1 - 3% Fe, 6 - 8% Mn sowie 1 - k% Si führt zur Bildung relativ harter intermetallischer Verbindungen, deren Existenz Voraussetzung für eine verbesserte Verschleißbeständigkeit ist.

Durch diese feine Verteilung der (X-Mischkrlstalle ergibt sich ein gleichmäßiges Tragbild der aus der erfindung'sgemäßen Legierung hergestellten Synchronringe, zugleich sichert der Ct-Anteil die Duktilität des Werkstoffs.

Der gegenüber normalen Synchronring-Legierungen aus Sondermessing hohe Anteil an ct-Mischkristall (60 - Q5%) wirkt sich günstig in Bezug auf einen hohen Reibungsbeiwert aus.

In bevorzugter Zusammensetzung weist die Legierung einen Kupfergehalt auf, der über 70, maximal bei etwa 73% Cu liegt. Dieser Legierungsbereich ist vorteilhaft hinsichtlich der Erzielung der erfindungsgemäß vorgesehenen Gefügezusammensetzung. Zur Einstellung des nach der Erfindung vorgesehenen Anteils an uL-Phase bedarf es in diesem Bereich keiner etwaigen zusätzlichen Glühung, etwa in Form eines Auslagerns nach dem Formgebungsprozeß.

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Als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Erzielung einer möglichst hohen Verschleißfestigkeit erweist es sich, wenn die erfindungsgemäße Kupfer-Zink-Legierung weniger als jeweils 0,05% Ni und Sn aufweist.

In ihrer bevorzugten Zusammensetzung weist die Kupfer-Zink-Legierung nach der Erfindung die in Anspruch 4 wiedergegebene Zusammensetzung mit einem Kupfergehalt von 70,5%, einem Aluminiumanteil von 5» 1596 und einem Zinkanteil von etwa 14% auf. Es handelt sich somit um einen Werkstoff, der legierungstechnisch zwischen den Sondermessingen und den Aluminiumbronzen liegt und der dabei die bewährten Eigenschaften des Sondermessings hinsichtlich Reibverhalten und Warm- und Kaltverformbarkeit mit denen der verschleißbeständigeren Aluminiumbronzen vereinigt.

Eine Legierung ähnlicher Zusammensetzung, jedoch ohne obligatorischen Eisenanteil, läßt sich zwar auch bereits aus den in de,r DE-OS 21 45 710 angegebenen Legierungsgrenzen ableiten, jedoch ist in der genannten Schrift eine Verwendung des Werkstoffs für Teile vorgesehen, die beträchtlichen Reibungsbeansprychungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, z. B. für Ventilsitze von Verbrennungsmaschinen. Derartige Materialien müssen zwar auch eine gute Verschleißbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, sowie einen möglichst gleichbleibenden Reibungsbeiwert besitzen, wichtig ist dabei jedoch, daß dieser Reibungsbeiwert möglichst niedrig ist, um die Reibungsbeanspruchung gering zu halten.

Umso überraschender ist es, daß eine Legierung, die von ihrer analytischen Zusammensetzung her zumindest teilweise in dem in der DE-OS 21 45 710 angegebenen Bereich liegt, sich durch einen zwar ebenfalls gleichbleibenden, aber hohen Reibungsbeiwert auszeichnet und deshalb besonders gut als Werkstoff zur Herstellung von Synchronringen geeignet ist.

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Neben Eisen, das unter anderem bereits kornfeinend wirkt, ist es möglich, der erfindungsgemäßen Kupfer-Zink-Legierung als Kornfeiner weiterhin geringe, jeweils 0,0596 nicht übersteigende Zusätze der Elemente Chrom, Vanadium oder Titan beizugeben.

Die erfindungsgemäße Legierung kann nach den für Kupfer-Zink-Legierungen üblichen Verfahren hergestellt werden. Sie wird dabei zunächst bevorzugt in halb- oder vollkontinuierlichem Strangguß vergossen. Kokillenguß ist in diesem Zusammenhang nicht geeignet, da hierbei die Verschleißträger koagulieren und somit keine gleichmäßige Ausgangsverteilung der intermetallischen Verbindungen gewährleistet wäre.

Nachfolgend wird die Legierung stranggepreßt und anschürend gesenkgeschmiedet. Durch rasches Abkühlen an ruhiger oder bewegter Luft nach dem Schmieden, etwa von einer Temperatur im Bereich zwischen 600 und 75O⁰C, stellt sich das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung mit etwa 60 - 85% «t-Mischkri stallen ein, die in überwiegend feindisperser Verteilung in die Grund·» matrix aus /3-Mischkr istall eingebettet sind. Die intermetallischen Verbindungen sind dabei in feinkörniger Ausbildung statistisch regellos über die Grundmatrix verteilt.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung, insbesondere bei Kupfergehalten, die an der unteren Grenze des angegebenen Legierungsbereiches liegen, kann es zur Erzielung einer möglichst feinen Verteilung dercfe-Mischkristalle oder auch zur Erhöhung des Anteils der ου-Phase bzw. zur weiteren Steigerung der Festigkeit darüberhinaus günstig sein, eine abschließende Wärmebehandlung des Werkstoffs durchzuführen. Diese besteht in vorteilhafter Weise in einem als Warmaushärtung wirkenden Auslagern bei einer Temperatur zwischen 150 und 35O⁰C, vorzugsweise bei etwa 250⁰C, Die Dauer der Wärmebehandlung kann dabei zwischen einer und Stunden variieren und vorzugsweise bei etwa 10 Stunden liegen.

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Claims

P 553 Die/La/Lu Patentansprüche:

1. Kupfer-Zink-Legierung mit einem Gefüge, bei dem in eine Grundmatrix aus kubisch-raumzentriertem /3-Mischkristall eis Bestandteil an kubisch-flächenzentr'iertem Qt-Mischkristall eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 6<T - 75% Cu, 6-8% Mn, 4 - 6% Al, 1 - 4% Si, 1 - 3% Fe, 0,5 - 1,5% Pb, bis zu 0_#2% Ni, bis zu 0,2% Sn, Rest Zn besteht und ein Gefüge aufweist, in dem 60 - 85, vorzugsweise etwa 65 - 70% c6-Mischkristalle in überwiegend feindisperser Verteilung in der /3-Phase eingelagert sind.

2. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung über 70, maximal 73% Cu enthält.

3. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Ni sowie Sn jeweils weniger als 0,05% beträgt.

4. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung

70,5 % Cu 7,1 % Mn 5,15 % Al

1.5 % Si

1.6 % Fe 0,65 % Pb 0,05 % Ni

0,05 % Sn ;

Rest Zn.

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5. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Zusätze von bis zu eines oder mehrerer der Elemente Cr, V oder Ti enthält,

6. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5 für Halbzeuge und Halbfabrikate, die neben guter Bearbeitbarkeit und hohem Verschleißwiderstand einen gleichmäßigen, hohen Reibungsbeiwert aufweisen müssen, insbesondere für Synchronringe.

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