DE1758821B1

DE1758821B1 - Lagerlegierungen aus weissmetall auf zinnbasis

Info

Publication number: DE1758821B1
Application number: DE19681758821
Authority: DE
Inventors: Nobukazu Morisaki
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1968-08-14
Publication date: 1972-01-13
Also published as: BE719520A; GB1194069A; US3563732A; DE1758821C2

Description

3 4

87 % Sn enthält, die Zugfestigkeit erhöht wird, wenn mit einem Zusatz von 0,02 % Be. Ohne Cr-Gehalt hat

die Menge des zugesetzten Cd erhöht wird, und zwar sie eine Dehnung von ungefähr 7,5 % entsprechend

erhöht das Zusetzen von 1,5% Cd die Zugfestigkeit der Zunahme der Cr-Menge, jedoch nimmt die Deh-

bis zu ungefähr 11 kp/mm². Jedoch verringert die nung zu bis zu 14°/₀ durch den Zusatz von 0,1% Cr,

Zugabe von 1 % oder mehr Cd die Dehnung (F i g. 2) 5 wie durch die Kurve A gezeigt wird. Wie weiterhin

beträchtlich und die Härte steigt bis ungefähr 40 Hv. durch die Kurve B gezeigt wird, nimmt in dem Falle,

F i g. 2 zeigt die Änderung der Dehnung für den daß die Legierung auf Zinnbasis mit einem Gehalt von Fall, daß Cd zu der ähnlichen Legierung zugesetzt 1 % Cd und 0,05 % Be versehen ist, die Dehnung bewird, und wie darin hinsichtlich der Dehnung klar trächtlich mit dei Zunahme von Cr zu, und durch Zugezeigt wird, erniedrigt die Zugabe von Cd über 1% io setzen von 0,1% Cr übersteigt sie 17%. Dies ent- oder mehr die Dehnung beträchtlich, so daß es vorzu- spricht eindeutig der Dehnung in dem Fall, wo Be ziehen ist, nicht mehr als 1,5% Cd zuzugeben. Erfin- allein der Legierung zugesetzt wird. Dies bedeutet, dungsgemäß werden daher 0,1 bis 1,5% Cadmium der daß die mit der Zugabe von Cd verbundene Absen-Legierung zugesetzt, wodurch die Zugfestigkeit der kung der Dehnung durch die gleichzeitige Zugabe Legierung beträchtlich erhöht wird. 15 von Cr aufgehoben wird.

Der erfindungsgemäßen Legierung werden weiterhin F i g. 6 stellt den Zustand der Zugfestigkeit für den

0,001 bis 0,1% Beryllium zugesetzt. Dadurch nimmt Fall dar, wo Cr einer Legierung von 3,8% Cu, 8,7% Sb,

die Zugfestigkeit nicht sehr stark zu, die Dehnung je- 1 % Cd, 0,02 bis 0,05 % Be zum Erreichen der zu-

doch wird beträchtlich erhöht. sammengesetzten Wirkungen von Cd, Be und Cr zu-

F i g. 3 zeigt die Änderung der Dehnung für den 20 gesetzt wird. In der Figur ist gezeigt, daß die Zug-Fall, daß Beryllium der Legierung zugesetzt wird, und festigkeit dieser Legierung ohne den Cr-Gehalt ungewie aus F i g. 3 klar hervorgeht, nimmt die Dehnung fähr 11 kp/mm² beträgt. Diese Zugfestigkeit ist nicht im Verhältnis zu der zugesetzten Be-Menge zu, und niedriger als die Zugfestigkeit in dem Fall, wo 1 % Cd zwar weist eine Legierung, die 0,04% Be enthält, und 0,1 % Be zugesetzt sind, sie zeigt jedoch eher einen ungefähr 17% Dehnung auf, während eine Legierung 25 leichten Anstieg und weiterhin, daß dieser Effekt der ohne Be-Gehalt ungefähr 10% Dehnung aufweist. Zunahme der Zugfestigkeit in dem Cd-Gehalt nicht Weiterhin werden entsprechend der zugesetzten Menge durch die Zunahme an Cr-Gehalt verhindert wird, von Beryllium die ε-Phase (Cu₆Sn₅) und die /J-Phase Das Zusetzen von Cd hat die Wirkung, daß die Zug-(SbSn) fein gestaltet. festigkeit erhöht wird. In dem Fall jedoch, wo die

Bei der Erfindung werden der Legierung 0,005 % bis 3° Menge 1 % überschreitet, wird die Dehnung beträcht-

0,2% Chrom zugesetzt, wodurch sich kein wesent- lieh erniedrigt, so daß die Cadmiummenge stets in

licher Anstieg in der Zugfestigkeit ergibt, jedoch wird gegenseitiger Abstimmung im Hinblick auf die Zug-

die Dehnung erhöht und auch die ε-Phase beträchtlich festigkeit und Dehnung bestimmt werden muß. Um

feiner gestaltet. eine Abnahme der Dehnung zu vermeiden, ist es vor-

Erfindungsgemäß ist es möglich, eine hervorragende 35 zuziehen, daß Cd in einer Menge von nicht mehr als

Lagerlegierung aus Weißmetall durch die zusammen- 1,5% zugesetzt wird. Die Zunahme an Zugfestigkeit

gesetzten Wirkungen von Cd, Be und Cr herzustellen. beginnt bei einem Zusatz von 0,1 % Cd, so daß es vor-

Diese Wirkungen werden nachfolgend erläutert. zuziehen ist, die Menge von Cd in dem Bereich von 0,1

F i g. 5 stellt die Änderung der Dehnung ent- bis 0,5 % zu wählen.

sprechend dem Zusatz von Cr dar, wobei der Einfluß 40 Obwohl beim Lösen von Beryllium in der Legierung von Cr auf die Dehnung durch zwei Beispiele von große Verluste auftreten, ist schon bei einer Zugabe 0,05 °/o Be bzw. 0,02 % Be gezeigt wird, das den Le- von 0,001 % Beryllium eine Zunahme der Dehnung ergierungen zugesetzt wird, welche aus 3,8 % Cu, kennbar. Die Dehnung nimmt im Hinblick auf die Er-8,7% Sb, 1,0% Cd und 86,5% Sn bestehen. Die höhung der Be-Menge zu, jedoch wird jenseits des Kurve A in F i g. 4 stellt die Beziehung zwischen der 45 Bereichs von 0,05 % keine bedeutende Zunahme erzugesetzten Cr-Menge und der Dehnung für den Fall zeugt. Jedoch wird durch die Zugabe von Be die dar, daß der Legierung 0,02% Be zugesetzt sind. Die ε-Phase und /5-Phase fein gestaltet, so daß Be bis hinauf Kurve B stellt die Beziehung für den Fall dar, daß zu 0,1% in dem Bereich zugesetzt werden kann, in 0,05 % Be dieser Legierung zugesetzt sind. Wie oben welchem die Zugfestigkeit nicht wesentlich verringert ausgeführt und wie in F i g. 2 klar gezeigt, ergibt der 50 wird. Der Zusatz von mehr als 0,1 % Be macht das Zusatz von 1,0% Cd eine Abnahme der Dehnung. Gefüge grob, was deshalb eine umgekehrte Wirkung F i g. 5 ist ein Diagramm, welches die Wirkung von Cr hervorruft.

für die Grundlegierung zeigt, der 1 % Cd zugesetzt ist. Die ε-Phase wird durch die schwache Zugabe von Cr Das heißt für den Fall, daß kein zugesetztes Cr vor- ausgesprochen fein. Im Fall der Zugabe von 0,2% liegt, beträgt die Dehnung ungefähr 7,5 %. Eine 55 oder mehr ergibt sich jedoch keine erkennbare Ände-Cu-Sb-Sn-Legierung ohne Cd-Gehalt hat eine Deh- rung. Jenseits jenes Bereiches nehmen die Dehnung nung von ungefähr 10%. Dies zeigt, daß die Dehnung und die Zugfestigkeit durch Alterung ab, so daß die der ersteren Legierung niedriger ist als die der letzteren Menge von 0,2 % die obere Grenze ist. und daß jedoch durch Zusetzen von Cr die Dehnung, Um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Lagerwie in F i g. 5 gezeigt, erhöht wird. Der Zusatz von Cd 60 legierung mit denen von herkömmlichen Lagerleist nötig, um die Zugfestigkeit zu erhöhen, und es ist gierungen aus Weißmetall auf Zinnbasis zu vergleichen, daher bei der Erfindung ein wesentliches Element. Die wurden in den Labors der Anmelderin chemische Abnahme der Dehnung auf Grund der Zugabe dieses Analysen und Materialprüfungen vorgenommen, deren Cd wird aufgehoben durch die Zugabe von Cr, und Ergebnisse in der nachfolgenden Tabelle zusammendarüber hinaus erhöht das Zugeben von Cr die Deh- 65 gestellt sind. Als Vergleichslegierungen wurden dabei nung einer Legierung auf Zinnbasis, welche Kupfer im Handel erhältliche Legierungen verwendet, deren und Antimon enthält. Die in F i g. 5 gezeigte Legierung Handelsname und Herstellerfirma ebenfalls in der besteht aus 3,8% Cu, 8,7% Sb, 1,0% Cd, 86,5% Sn Tabelle angegeben sind.

I

Erfindungs

Sn

a

Cu

Chemische Zusammensetzung (%)

Cd ! Be

—

1,3

0,01

! Cr i Co

i

0,10

Ni

Ag

0,11

6

Deh

I

Bemerkung

gemäße

Ι ι
I ι

I

nung

I

, Härte

Legierung

Rest

3,71

Sb

I
i

Materialeigenschaften

i %

I 14.4

Rest

5,43

! I

Zug
festig

18,0

I

Hv

Rest

3,16

7,06

1,0

0,75

0,04 ^; 0,45

0,08

! 0,09

keit

8,1

i

24,9

9,53

I

kg/mm²

18,4

I

28,2

Super Metal

7,15

7,6

I 18,8

28,0

»Hy« der
Shichiho Metal

Rest

3,29

0,12

8,7

Kogyo K. K.

8,6

Number Eleven

Herkömm
liche

8,73

32,4

»R« der The

Legierungen

Hoyt Metal

Rest

3,81

10,0

Co., Großbrit.

8,54

31,9

11.1

Wie klar aus der oben gezeigten Tabelle hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Legierung der herkömmlichen Legierung hinsichtlich Zugfestigkeit (kp/mm²), Dehnung (°/o) und Härte (Hv) überlegen.

Eine Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis wird gewöhnlich an der Oberfläche des Unterlagenstahlmaterials durch Gießschweißung aufgebracht, so daß die Schweißbarkeit eine der wesentlichen Eigenschaften dieser Legierungen ist. Um zu verhindern, daß das Gefüge grob wild, ist es besser, unmittelbar nach dem Gießen abzuschrecken. Eine derartige Abschreckbehandlung führt zu Spannungen bzw. Formänderungen und bei den bekannten Weißmetall-Legierungen zu dem Abschälen von dem Unterlagenmaterial und zu einer Schwereseigerung. Erfindungsgemäß wird das Gefüge ohne auch Abschrecken nach dem Gießen fein gestaltet. Wenn die Abschreckbehandlung aber zusätzlich angewendet wird, wird das Gefüge noch feiner gestaltet. Die Zugabe von Be und Cr hat auch die Wirkung, daß das Abschälen von dem Unterlagenmaterial verhindert wird.

Die erfindungsgemäße Legierung ist in ihren mechanischen Eigenschaften den herkömmlichen Legierungen überlegen, und ihre Dauerfestigkeit, einer der wesentlichen Faktoren der Legierung, ist ebenfalls hervorragend. Sie wurde durch einen ununterbrochenen Versuch bei dynamischer Rotationsbelastung, wie nachstehend gezeigt, geprüft. Das Ergebnis dieses Versuchs lautet wie folgt.

Die Prüflager wurden jeweils durch Verbundgießen auf Stahlunterlagen mit Probenlegierungen mittels eines Schleudergußverfahrens hergestellt, bei welchem der Innendurchmesser des Lagers 68 mm, die Breite 31 mm und die Dicke der auskleidenden Legierung 0,3 mm betrug. Die Anzahl der Umdrehungen der Welle war 3000 UpM, die Umfangsgeschwindigkeit betrug 9,7 m/Sek., die Lagerbelastung war 250 kg/cm².

Die Welle wurde kontinuierlich gedreht bei Zwangsschmierung des Lagers, und die Ermüdungsgrenze wurde als die Zeit festgelegt, bei welcher der Bereich der Rißentwicklung 10 ± 5% der gesamten projizierten Fläche der Lageroberfläche erreicht.

Die für die Prüflager verwendeten Probenlegierungen sind die gleichen wie in der vorhergehenden Tabelle, stammen jedoch aus anderen Schmelzen. Ihre Zusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle angegeben, wobei bei den herkömmlichen Legierungen zur groben Kontrolle die chemische Analyse nur in bezug auf die Hauptlegierungselemente Cu, Sb und Cd durchgeführt wurde.

	Cu	Sb	Zusammensetzung, % Cd Be	¹ 0,004 ! 0.004 ! . 1	Cr	Sn
Erfindungsgemäße Legierungen Nr. 1	3,5 3,2 3,2	8.3 8,7 6,6	0,47 0,71	— 1	0,03 0,005	Rest Rest Rest
Nr. 2	5,0 4,1	10,0 6.7	0,78	Z	Rest Rest
Herkömmliche Legierungen Nr. 1
Nr. 2
Nr. 3

In dem oben angeführten Versuch hatte die Legierung Nr. 1 der Erfindung keinen erkennbaren Riß nach 50 Stunden. Die Legierung Nr. 2 der Erfindung hatte ebenfalls nach 59 Stunden keine erkennbare Rißentwicklung. Andererseits wurde ein derartiger Riß, um der vorhergehenden Bedingung zu entsprechen, bei der herkömmlichen Legierung Nr. 1 nach 13 Stunden erkannt, was offensichtlich die Ermüdungsgrenze anzeigte.

Ähnlich erreichte die herkömmliche Legierung Nr. 2 die Ermüdungsgrenze nach 15 Stunden. Bei der herkömmlichen Legierung Nr. 3 mit dem 0,78-%-Cd-Gehalt zeigte sich ein Riß nach 48 Stunden, wobei ihre Lebensdauer um das Dreifache verlängert wurde

im Vergleich mit anderen Legierungen, die kein Cd enthalten, was den Einfluß von Cd erkennen läßt. Alle erfindungsgemäßen Legierungen jedoch zeigten keine Ermüdung bis 50 Stunden, was das Ergebnis der Zugabe von Be bzw. Cr mit Be ist.

Wie oben angeführt, werden erfindungsgemäß die ε-Phase und die /?-Phase durch den Zusatz von Be fein gestaltet. Die ε-Phase wird durch gleichzeitige Zugabe von Cr fein gestaltet. Das entsprechende Schliffbild

dieses Gef üges ist in F i g. 8 gezeigt. Das ähnliche Gefüge der herkömmlichen Legierung ohne die Cd-, Be- und Cr-Gehalte ist in F i g. 7 gezeigt. Beide Bilder sind in hundertfacher Vergrößerung gezeigt, in der eindeutig ausgewiesen ist, daß der quadratische Kristall (/?-Phase) ausgesprochen klein im Vergleich mit der in F i g. 7 gezeigten herkömmlichen Legierung ist. Die nadeligen Kristalle (ε-Phase) sind ebenfalls ausgesprochen fein gestaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY 109 583/98

Claims

tung durch feine Ausbildung des Gefüges zu erhöhen, Patentanspruch: d.h. eine kleine Korngröße der Kristalle in den

ε- und ^-Phasen herzustellen.

Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, Die Abschreckung von hoher Temperatur ist ein

bestehend aus 3 bis 9% Kupfer, 5 bis 13% Anti- 5 bekanntes Verfahren, um das Gefüge des Lagerweißmon, 0,1 bis 1.5% Cadmium, 0,001 bis 0,1% metalls auf Zinnbasis fein zu gestalten. Jedoch wird Beryllium, 0,005 bis 0,2% Chrom, Rest Zinn und diese Legierung gewöhnlich auf ein Unteilagenmateiial unvermeidliche Verunreinigungen. aus Stahl geschmolzen und geschweißt, um sie daran

zu befestigen und um auch ihre Festigkeit als Lager zu ίο verstärken. Deshalb ist in dem Fall, wo eine dick-

wandige Stahlunterlage verwendet wird, eine schnelle

Kühlung schwierig, so daß es unmöglich ist, das Gefüge fein auszubilden. Dies wird noch mehr bei sehr großen Lagern deutlich, die für große Schiffsdiesel

Die Erfindung betrifft Lagerlegierungen aus Weiß- 15 verwendet werden. Um diese ε- und ^-Phasen klein metall auf Zinnbasis. auszubilden, hat man auch versucht, andere Elemente

Legierungen, welche Zinn als Basismetall und Anti- hinzuzufügen. Als Folge davon ergab sich die Zugabe mon und Kupfer als Zusatz enthalten, werden allge- von Elementen wie Cadmium (Cd), Baryllium (Be), mein für Lagerlegierungen verwendet. Lagerlegie- Chrom (Cr), Tellur (Te), Kobalt (Co) u. dgl.
rungen aus Weißmetall auf Zinnbasis werden mit einer 20 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Legie-Stahlunterlage als Lagerausguß verwendet und bei rungen mit erhöhter Zugfestigkeit, um die im Betrieb Lagern für hohe Geschwindigkeit und schwere Be- verursachten Risse zu verringern, mit erhöhter Dehlastung aufgebracht. Diese Legierungen haben einen nung, um hohe Schlagfestigkeit hervorzubringen, und derartigen Aufbau, daß Cu₆Sn₅ als nadelige Kristallite mit hohem Ermüdungswiderstand auf Grund des Fein-(ε-Phase) und SbSn als quadratische Kristallite 25 korngefüges als Ergebnis der Zugabe von Cadmium, (ß-Phase) in einer weichen Grundmasse verteilt sind. Beryllium und Chrom zu dem Weißmetall auf Zinn-Eine derartige weiche Grundmasse ist hinsichtlich basis zu schaffen.

ihrer Oberflächeneigenschaften als Lager hervor- Die erfindungsgemäße Legierung auf Zinnbasis beragend. Die Verträglichkeit mit der Oberfläche einer steht aus 3 bis 9% Kupfer, 5 bis 13% Antimon, drehenden Welle sowie die oben angeführten, ver- 30 0,1 bis 1,5% Cadmium, 0,001 bis 0,1% Beryllium, teilten harten Bestandteile sind ebenfalls ausgezeichnet 0,005 bis 0,2 % Chrom, Rest Zinn und unvermeidliche hinsichtlich Verschleißwiderstand und Belastungsver- Verunreinigungen (sämtliche Prozentangaben stellen mögen, und eine Kombination davon erzeugt die Gewichtsprozente dar).

günstigen Merkmale der bekannten Weißmetall- An Hand der Zeichnung werden die Grundlagen

Lagerlegierung. 35 und beispielsweisen Ausführungsformen der Erfin-

Jedoch haben diese Weißmetallegierungen nicht dung veranschaulicht.

immer die erwünschte hohe Dehnung, Warmfestigkeit F i g. 1 ist ein Diagramm, welches die Abhängigkeit

und Dauerfestigkeit. In neuester Zeit weiden Schiffs- zwischen der Menge von zugegebenem Cadmium und dieselmotoren in immer größeren Ausführungen herge- der Zugfestigkeit der Legierung in dem Fall zeigt, wo stellt, so daß hohe Dehnung, Warmfestigkeit und 40 Cadmium zu einer gewöhnlichen Lagerlegierung aus Dauerfestigkeit gefordert werden. Die Erfindung soll Weißmetall auf Zinnbasis, welche 4 % Cu, 9 % Sb eine derartige Lagerlegierung aus Weißmetall auf und 87% Sn enthält, zugegeben wird;
Zinnbasis schaffen, um diesen Erfordernissen zu F i g. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung

genügen. zwischen der zugegebenen Cadmiummenge und der

Im allgemeinen haben Lagerlegierungen aus Weiß- 45 Dehnung dieser Legierung zeigt;

metall auf Zinnbasis eine Zusammensetzung wie z. B. F i g. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung

78 bis 92% Zinn (Sn), 5 bis 13% Antimon (Sb), 3 bis zwischen der zugegebenen Berylliummenge und der 9 % Kupfer (Cu) und 0 bis 4% Blei (Pb). Dehnung der Legierung zeigt;

Davon wird eine Legierung, welche ungefähr 83 % F i g. 4 ist ein ähnliches Diagramm, welches die

oder mehr Zinn, aber kein Blei enthält, als Lagerle- 50 Beziehung zwischen der zugegebenen Berylliummenge gierung für durch hohe Geschwindigkeit und schwere und der Zugfestigkeit der Legierung zeigt;
Belastung beanspruchte Lager verwendet. Diese Le- F i g. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung

gierung neigt jedoch dazu, Risse auf Grund der zwischen zwei Legierungen mit verschiedenen Mengen schweren Dauerbelastung zu entwickeln. Bei dieser von zugesetztem Beryllium und den Änderungen der Legierung ist die Ermüdungsgrenze wegen ihrer relativ 55 Dehnung der Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnniedrigen Schlagfestigkeit niedrig. Es ist deshalb un- basis der Erfindung in Abhängigkeit von der Menge möglich, eine derartige Legierung für Lager von großen des zugesetzten Chroms zeigt;

Schiffsdieseln zu verwenden, welche großen Dauerbe- F i g. 6 ist ein ähnliches Diagramm, welches die

lastungen und insbesondere einer großen Schlagbean- Beziehung zwischen der zugesetzten Chrommenge und spruchung unterworfen sind. Es ist bekannt, daß bei 60 der Zugfestigkeit der Legierung zeigt;
Lagerlegierungen die Rißbildung von der Zugfestig- F i g. 7 ist ein hundertfach vergrößertes Schliffbild,

keit, die Schlagfestigkeit von der (Bruch-)Dehnung welches die Zusammensetzung einer gewöhnlichen und die Rißausbreitung hauptsächlich von der Fein- Lagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis zeigt;
heit des Gefüges abhängen. Es ist deshalb möglich, die F i g. 8 ist ein hundertfach vergrößertes Schliffbild,

Rißentstehung durch Erhöhung der Zugfestigkeit der 65 das die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Legierung zu verhindern, den Widerstand gegen Lagermetalls aus Weißmetall auf Zinnbasis zeigt;
Schlagbeanspruchung durch Erhöhung der Bruch- In F i g. 1 ist gezeigt, daß im Falle der Zugabe von

Dehnung und den Widerstand gegen die Rißausbrei- Cd zu einer Legierung, welche 4 % Cu, 9 % Sb und