DE2145690C3

DE2145690C3 - Bei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis

Info

Publication number: DE2145690C3
Application number: DE19712145690
Authority: DE
Inventors: Yasuhisa Kaneko; Yoshiro Komiyama; Shirou Toyota Maeda; Itaru Nagoya Niimi; Yasuo Takeda; Yoshiki Uchiyama
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1974-02-28
Also published as: GB1306567A; DE2145690A1; JPS507010B1; DE2145690B2

Description

2. Legierung nach Anspruch 1. die außerdem io enthalten können,
noch je bis zu 1 % Zinn. Blei, Titan, Zirkonium. Die erfindungsgemäßen

Beryllium, Bor, Kobalt und/oder Wolfram und/oder Im folgenden soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine mikrofotografische Darstellung der Zusammensetzung der Legierung Λ gemäß dem nachfolgenden Beispiel.

Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Kupierbasis sind Legierungen, die Kupfer als Hauptbestandteil sowie Zink. Aluminium, Mangan, Silicium, Chrom und Phosphor als Legierungselemente enthalten und ferner eine kleine Menge anderer Elemente

je bis zu 2% Eisen und oder Nickel, insgesamt aber höchstens 5% dieser Elemente enthält.

kraftmaschinen.

Legierungen eignen sich

als Herstellungsmaterialien für Auspuffventilsitze, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden, insbesondere solchen, bei denen bleifreies Benzin, LPG 3. Verwendung von Legierungen nach Anspruch 15 od. dgl. ohne Zusätze, wie beispielsweise Blei, ver-1 oder 2 zur Herstellung von Ventilsitzen für Brenn- wendet wird. Wenn die erfindungsgemäße Legierung

als Material für Ventilsitze verwendet wird, so wird die Reibungsbelastung auf einen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt. Es können auch hohe Maschinendrehzahlen und hohe Belastungen und Betriebswerte während einer langen Betriebszeit ohne Schwierigkeil erzielt werden! Ferner sind die erfindungsgemäßen Legierungen auch als Herstellungsmaterialien für Komponenten geeignet, die in einem Bereich verwendet werden, für welchen hohe Trockenverscnleißfestigkcit bei hohen Temperaturen erforderlich ist, wie beispiels-

Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Kupferbasis und insbesondere Legierungen auf Kupferbasis, die hohe Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen.

weise für Ventilschaftführungen, Synchronisierringe und Lager.

Die Wirkung und der Grund des Vorhandenseins

Legierungen mn ausgezeichneter Verschlcißfestig- 30 eines jeden Bestandteils der erfindungsgemäßen Lc-

keit bei hohen Temperaturen sind seit langem als Materialien für Teile, die beträchtlichen Reibungsbelastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gesucht, /u Materialien für Auspuffvcntilsitzc, die üblicherweise für Viertaktbrennkraftmaschine!! verwendet werden, gehören Gußeisen. Spezialgußeisen, warmfestcr Stahl u. dgl. Diese Legierungen haben jedoch den Nachteil, daß sie bei Verwendung von bleifreiem Benzin. LPCi (FHissigpropangas) u.dgl. als Brennstoff einem ungewöhnlichen Verschleiß ausgesetzt sind, der die Leistung der Brennkraftmaschine herabsetzt oder die Abgase verschlechtert (Erhöhung an CO oder Kohlenwasserstoffen). Eine störungsfreie Verwendung dieser Legierungen während langen Zeitspannen M daher unmöglich.

Aufgabe der vorliegenden Frfindimg ist es. die obengenannten Nachteile auszuschalten.

Es wurde nun gefunden, daß Legierungen auf Kupferbasis. die Zink, Mangan, Silicium, Chrom und Phosphor u. dgl. als Legierungselemente enthalten, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen besitzen.

Die vorliegende Erfindung betrifft Legierungen auf Kupferbasis. die ausgezeichnete Beständigkeit gegen gierungen sind die folgenden:

Unter den Elementen der erfindungsgemäßen Legierungen ist Kupfer der Hauptbestandteil. Kupfer hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und ausge-

r_;;· zeichnete Korrosionsbeständigkeit und reagiert mit dem Sauerstoff der Luft bei hohen Temperaturen unter Bildung von Kupferoxyd. Ein dünner Film auv diesem Kupferoxvd ergibt eine selbstschmierende Wirkung und trägt so zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei. Zink löst sich in Kupfer in Form einer festen Lösung, die die Kristallmatrix verstärkt, und reagiert bei hoher Temperatur mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Zinkoxid. Dieser dünne Film aus Zinkoxyd ergibt ebenfalls eine

4S selbstschmierendc Wirkung und verbessert in bemerkenswerter Weise die Verschleißfestigkeit der Legierung. Außerdem setzt das /ink den Schmelzpunkt der Legierung herab und verbessert deren Gießbarkeit. Hinsichtlich der Ve^tärkung der Kristallmatrix und der Gießbarkeit der Legierung ist es /weckmäßig, daß der Zinkgehalt zumindest 25",, beträgt. Wenn der Gehalt an /ink über 40" „ beträgt, so ist andererseits die Bearbeitbarkeit der Legierung vermindert, wem; Zink zusammen mit anderen Elementen vorliegt, die

Festfressen oder I langenbleiben und ausgezeichnete 55 /ur Verstärkung der Kristallmalrix und der Verschleiß-

Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturer, besitzen. Diese Legierungen bestehen aus Elementen in den nachfolgend angegebenen Zusammensctzungshcreichen.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind Leslie- tio riingen auf Kupferbasis mit hoher Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, die Kupfer als Hauptbestandteil sowie 25 bis 40 Gewichtsprozent Zink. 1 bis S Gewichtsprozent Aluminium. 1 bis 5 Gewichtsprozent

Mangan, 0.3 bis 2.0 Gewichtsprozent Silicium. O.S bis 65 Aluminiumgehalt wurde
3 Gewichtsprozent Chrom und 0.3 bis 1 Gewichts- festgesetzt.
Prozent Phosphor enthalten und ferner eine kleine Chrom verstärkt

Menge anderer Elemente enthalten können.

festigkeit beitragen. Der Zinkgehalt wurde daher auf höchstens 40 Gewichtsprozent festgesetzt. Aluminium verstärkt die Kristallmatrix und verbessert die Verschleißfestigkeit. Da jedoch diese Verstärkungswirkung bei einem Aluminiumgehalt von weniger als 1 ⁿ'_o gering ist, wurde der Aluminiumgehalt auf zumindest 1°'„ festgesetzt. Beträgt der Aluminiumgehalt über 8"₀. so wird jedoch die Bearbeitbarkeil schlechter, mit Chrom vorliegt, und der daher auf höchstens Sⁿ„

wenn es zusammen

die Kristallmatrix und erhöht die Härte ebenso wie Aluminium. Es trägt auch zur

Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei. Bei einem Gehalt von weniger als O.S°₀ Chrom ist die Wirkung des Aluminiums jedoch gering, und der Chromgehalt wurde daher auf zumindest t).S°„ festge^.-tzt. Bei einem Gehalt von mehr als 3"₀ Chron nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung ab. und der Chromgehalt wurde daher auf höchstens 3.0" „ festgesetzt. Was das Mangan anbetrifft, so verstärkt diei.es die Kristallmatrix in der gleichen Weise wie Aluminium und verbessert die Verschleißfestigkeit, wobei es gleichzeitig eine bemerkenswert harte intermetallische Verbindung mit Silicium ergibt. Diese intermetallische Verbindung ist gleichförmig in feinverteiltem Zustand in der Kristallmatrix dispergiert und verbessert so die Verschleißfestigkeit bemerkenswert. Wenn weniger als 1°₀ Mangan vorliegt, so ist die Menge der mit Silicium gebildeten intermetallischen Verbindung gering, und der Beitrag zur Verschleißfestigkeit ist klein. So wurde der Gehall an Mangan auf zumindest 1" „ festgesetzt. Bei einem höheren Gehalt an Mangan jo als 5"„ nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung auf Grund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Mangan mit Zink. Aluminium. Silicium, Chrom u. dgl. ab. Der Gehalt an Mangan wurde daher auf höchstens 5" „ festgesetzt. 25 _

Was das Silicium anbetrifft, so bildet dieses /war eine bemerkenswert harte intermetallische Verbindung mit Mangan und trägt zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Legierung bei. doch ist die Menge an mit Mangan gebildeter harter intermetallischer Verbindung gering und der Beitrag zur Verschleißfestigkeit klein, wenn der Siliciunigelialt weniger als (1.3° „ beträgt Der Silieiumgehait wurde daher auf zumindest i!.3^u,j festgesetzt. Bei einem Sliciumgehali über 2.D",, wird die Bearbeitbarkeit der Legierung auf Grund des gleichzeitigen Vorhandenseins von Zink. Aluniini mi. Mangan. Chrom ti. dgl. herabgesetzt. Der Silieiumgehait wurde daher auf höchstens 2" „ festgesetzt.

Phosphor wird als Desoxvdator verwendet. Bei einem Phosphorgellalt über 0.3" „ besitzt der Phosphor tue Neigung, die Härte der Legierung /u erhöhen und auch zur Verbesserung der Verschleißfestigkeil beizutragen. Liegt der Phosphorgehalt jedoch über 1 " „. so nimmt die Bearbeitbarkeit der Legierung ab. Der Phosphorgehall wurde daher auf höchstens 1" ,, festgesetzt.

1 erner wird, wenn der Gehalt an Lisen und oder Nickel unter oder höchstens 2" „ und der Gehalt an Sn. Pb. Ti. Zi. Be. B. Co und oder W unter oder höchstens 1 " ₍, beträgt und die Gesamtsumme dieser Flemente weniger als oder höchstens 5"„ ausmacht, das Verhalten der Legierung bei der Herstellung von Ventilsitzen. Ventilscliaftführungen, Sv nchronisierrinsien und Lagern i.ichl nachteilig beeinflußt, und diese Flemente können daher gewiinschieiiLills zügegeben werden.

Alle Gehaksangaben gelten in Gewichtsprozent.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Lrläuterung der [■ riindung.

Zwei erlindungsgemäüe Legierungsprobcn mit den in der nachfolgenden Tabelle I gezeigten Zusammensetzungen wurden hergestellt und bezüglich Gleitreibung bei hohen Temperaturen geprüft. Zu Vergleichsproben gehörten gewöhnliches übliches Gußeisen, Spe/ialguüeisen und warmfester Stahl. Die Versuchsergebnisse, die die Eigenschaften und die Reibung von jeder Legierung zeigen, sind in der nachfolgenden Tabelle II dargestellt.

	' 4	der ertinL	Tabelle Il
		legierung Λ I eg
	Tabelle I	^S(S" „
	Zusammensetzung Ziisani	35",,
	der erfindungsgem.iBen	2.5°,,
Cu
Zn	0.7°",,
Al
Mn
Si
Cr
P
Fe	1"„
Ni	0.5",,
Sn	0.5",
Be	1.5" „
Ti	(U⁰',,
W
	"

Chemische Zusammensetzung (Gewichtsprozent)

Xuc-

fcMic.· keil Ikp Clll-'l

Ver	uewöhn-	JIS standard	j	"
gleichs-	hches	IC 30	j	π;
proben	Guß		ι
	eisen
	Spezial-	C 3.4-Si		ί
	eußeisen	2.4-M η
		0.75-P
		0.3-Cr	ί
		0.(1-Mo
		I), 7- V
		0.1 5-he
		Res!	I
	»arm·	C O.S-Si	ί
	fester	2..VS
	Stahl	O.l-Cr
		20-Ni
		1.3-1 e Rest
Lrliii-	Λ	ivul. Tabelle
dungs-	H	(vgl. Tabelle
gemäße
Legie rung

IOD

Die Bestimmung des obengenannter wurde vorgenommen, indem eine rin;_'fi die auf 400 bis 450 C erhitzt worden Aluminiumlegierung befestigt wurde, dii mit 10 U. Min. gedreht wurde, mittels ei vorrichtung aus warmfestem Stahl wiede mit einer Sto^fl z^hv. ,ndigkeit von 0 einem Oberfu, Hendrikk von 30 kp ei Schlagfolge von 2500 Schlägen Min. 1 und die Änderungen der Dicke der Pi bestimmte Zeitspanne festgestellt wurd Aus den obigen Versuchsergebnissen

daß die crlindungsgcmäBen Legierungen im Vergleich zu gewöhnlichem Gußeisen, Spezialgußeisen und wurmfestem Stahl außerordentlich hohe Verschleißfestigkeit besitzen.

Die erfindungsgemüßen Legierungen eignen sich insbesondere zur Herstellung von Auspuffventilsitzcn. die außerordentlich hohen Temperaturen von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei denen bleifrcies Benzin und flüssiggas als Brennstoff verwendet wird, ausgesetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bei hoher Temperatur verschleißfeste Legierung auf Kupferbasis, bestehend aus 25 bis 40°/₀ Zink, 1 bis 8°_u Aluminium, 1 bis 5°',, Mangan. 0,3 bis 2,0";„ Silicium. 0,8 bis 3,0° ₀ Chrom und 0,3 bis I.O⁰Z₀ Phosphor und Kupfer als Rest.