Verfahren zur Herstellung von Lagerlegierungen Manche binäre Legierungen bestehen im festen Zustand aus Mischkristallen, das heisst aus atomaren Lösungen, deren Bestand sich aber nur auf be stimmte Temperaturgebiete beschränkt.
Im System Zink-Aluminium liegen bei Alumi- niumgehalten über 17% Al ähnliche Verhältnisse vor. In der Zeichnung ist ein Ausschnitt aus dem Zustandd'iagramm Zink-Aluminium schematisch dar gestellt.
Legierungen über 170/9 Al erstarren zu ss Mischkristallen (Linie a-b). Beträgt der Aluminium anteil zwischen 17 und 210/0, scheiden bei der wei teren Abkühlung Zinkkristalle aus, während der Alu- miniumgehalt der ss-Mischkristalle bis 21% Al steigt (Linie a-c). Dieser Vorgang ist bei 275 C be endet.
Bei dieser Temperatur zerfallen die ss-Misch- kristalle in ein Eutektoid c. Legierungen mit mehr als 21% A1 zerfallen bei der weiteren Abkühlung, Linie c-d, in zwei Mischkristallarten, deren zink reichere bei 275 C ebenfalls in das Eutektoid c über geht.
Es bestehen somit Alu!rninium-Zink-Legie- rungen mit einem Aluminiumgehalt zwischen 17 und 21% aus Zinkkristallen und Eutektoid, von 21% nur aus Eutektoid und über 21% Eutektoid und aluminiumreichen ss-Mischkristallen.
Bei reinen Aluminium-Zink-Legierungen geht der eutektoide Zerfall schnell vor sich, durch Zusätze von Mg, Cu und ähnlichen Elementen wird er gehemmt.
Abgeschreckte Legierungen zeigen erhöhte Festig keitseigenschaften, das Abschrecken nach längerem Glühen über 275 C stellt somit einen Vergütungs vorgang dar.
Die Legierungen, die zum grossen Teil oder ganz aus ss-Mischkristallen bestehen, haben sich als La gerlegierung bewährt. Insbesondere zeigte sich bei Legierungen mit mehr als 30% Al, mit einem Cu-Gehalt von i/6 bis i/4 des Al-Gehaltes und Rest Zink,
dass eine Herabsetzung der Festigkeit und Härte durch Zerfallsglühungen zwischen 80 und 280 C eine überraschende Verbesserung der Lager eigenschaften mit sich bringt, das heisst die Herab setzung des Reibungskoeffizienten und die Ver besserung der Notlaufeigenschaften. Auch im öllosen Lauf werden Welle und Zapfen nicht angefressen, während dies bei vergüteten Legierungen oder sol chen, die durch Giessen rasch abgekühlt werden, der Fall ist.
Weiter wurde eine Lagerlegierung auf Al-Cu- Zn-Basis empfohlen, die 3-15% Al, 0,001-20/a Cu, 0,01-0,06% Mn und als Rest Feinzink mit weniger als je 0,010/a Sn, Pb und Cd enthält.
Diese Legierung zeigt jedoch keine ausgeprägte Notlauf- eigenschaft.
Ferner war es bekannt, dass Legierungen mit 80 bis 85'% Zn, 14-19% A1 und 1-20/a Cu oder mit 80-85% Zn,
14-18%. AI und 0-6% Cu ausser- ordentliche Zugfestigkeiten und Härten aufweisen und sich besonders für die Herstellung von Spritz gussstücken, gezogenen Stäben und Blechen eignen.
Es wurde nun gefunden, dass auch die Legie rungen mit 18-29"/o, Al, einem Zehntel bis einem Viertel des Al-Gehaltes an Cu, mindestens jedoch 2,2% Cu, Rest Zn, wenn sie nach dem Giessen und Abkühlen während 2-90 Stunden auf Temperaturen von 150-275 C erhitzt werden, gute Lagerwerk stoffe ergeben.
Dies war für den Fachmann über raschend, weil bisher bei hohen Aluminiumgehalten angenommen wurde, d'ass es auf den Anteil der ss Mischkristalle ankommt, der in der erfindungs gemässen Legierung gering oder gleich Null ist. In diesem Bereich kommt es in erster Linie auf das eutektoidische Gefüge an.
Alle Versuche, die erfin- dungsgemässen Legierungen als Lagerwerkstoffe zu verwenden, scheiterten an der geringen Notlauf- eigenschaft, da man die Bedeutung der Zerfalls- glühung nicht erkannte.
Es zeigte sich nämlich, d'ass bei kupferhaltigen Legierungen mit mehr als 16% Al die natürliche Abkühlung in Sand- oder Dauer formen nicht genügt, um den Zerfall zu feinkörnigem Eutektoid herbeizuführen, es muss vielmehr die ab gekühlte Legierung einem nachträglichen Aufheizen von Raumtemperatur an unterworfen werden.
Ein Beispiel zeigt den Effekt. Eine Legierung aus 21% Al, 5% Cu und 74% Feinzink 99,99%ig wurde in Sandform zu Bolzen vergossen.
Die Festigkeitsprüfung ergab eine Zerreissfestigkeit von 40 kg/mm2, eine Dehnung von 5% und eine Brinell- härte von 130 kg(mm2. Aus den Bolzen wurden Büchsen hergestellt und in einer entsprechenden Anordnung unter konstantem Lagerdruck und Ge schwindigkeit mit Ölschmierung dem Lauf über lassen.
Nach Absperrung der Ölzufuhr stieg die Temperatur des Lagers innerhalb von 80 Sekunden von 60 auf 320 C, der Lagerzapfen wurde ange fressen und die Maschine blieb stehen. Dieselbe Legierung wurde einer 12stündigen Zerfallsglühung bei 200 C unterworfen. Die mechanischen Eigen schaften hatten sich verschlechtert.
Die Zerreiss- festigkeit betrug 30 kg)mm2, die Dehnung 5% und die Brinellhärte nur 100 kg/mm2. Aus diesen Bolzen wurden Büchsen hergestellt und dem geschilderten Laufversuch unterzogen. Nach Absperrung der Öl- zufuhr stieg die Lagertemperatur erst innerhalb von 300 Sekunden von 50 auf 220 C,
der Reibungs widerstand nahm zwar stark zu, doch bildete sich auf der Lauffläche eine graue, schmierige Paste, so dass es nicht zum Anfressen des Zapfens kam.
Das Beispiel zeigt, dass die Zerfallsglühung wohl eine Verminderung der mechanischen Eigenschaften, dafür aber eine entscheidende Verbesserung der Lagereigenschaften mit sich brachte.
Insbesondere ergaben Legierungen zwischen 20 und 22% Al, einem Kupfergehalt von 1/1o bis 1/.1 des Aluminiumgehaltes, Rest Zink, ein hervorragen des Notlaufverhalten, wobei die im Beispiel ge- nannte Legierung mit 21% Al,
5019 Cu, 740/a Fein- zink sowohl im Sand'guss, Kokillenguss als auch im gepressten Zustand nach der Zerfallsglühung optima les Notlaufverhalten zeigte.
Es ist zweckmässig, die Legierungen mit Fein zink mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,90/0 Zn herzustellen, wobei der Rest von 0,1 aus Blei 0,08011/o, Zinn weniger als 0,005%, Kadmium we- niger als 0,020'% bestehen darf. In dem Masse,
wie die Kadnuum- und Zinngehalte niedriger sind, kann der Pb-Gehalt höher liegen (Pb max 0,1 bei Cd = 0, Sn = 0).
Die Legierungen sollen ferner keinen Ma- gnesiumgehal't über 0,01%, vorzugsweise nicht über 0,0050/0, und keinen Eisengehalt über 0,1% auf- weisen.
Temperaturbereich für wirtschaftlich tragbare Glühzeiten ist 170=275 C, doch kann auch bei tieferer Temperatur geglüht werden, wenn längere Glühzeiten in Kauf genommen werden. Die Glüh- dauer ist nicht nur von der Glühtemperatur, son dern auch vom Kupfergehalt abhängig. Die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Werte für die Glühtemperatur stellen nur Richtwerte dar. Die Tabelle soll vor allem den Zusammenhang zwischen Glühtemperatur, Kupfergehalt und Glühdauer ver anschaulichen. Wie das oben angeführte Beispiel zeigt, genügt eine Glühzeit von 12 Stunden, um zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen.
EMI0002.0136
Glühtemperatur <SEP> Glühdauer <SEP> in <SEP> Stunden
<tb> 0 <SEP> C <SEP> Cu <SEP> = <SEP> 1/.1 <SEP> A1 <SEP> Cu <SEP> - <SEP> 1/1o <SEP> Al
<tb> 270 <SEP> 6 <SEP> 3
<tb> 250 <SEP> 12 <SEP> 6
<tb> 200 <SEP> 24 <SEP> 15
<tb> 170 <SEP> 36 <SEP> 22
<tb> 150 <SEP> 60 <SEP> 32 Den scheinbar günstigeren Verhältnissen beim Kupfergehalt von 1/1o des Aluminiumgehaltes ste hen niedrigere Härten der Legierung gegenüber.
Wird die geschil'd'erte Glühung mehr wie einmal durchgeführt, so zeigt sich als weiterer für die Lager eigenschaft der Metallegierungen wichtiger Vorteil eine mit der Anzahl der Glühungen forschreitende Senkung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Während ein nicht getempertes Material im Bereich von 20-100 C einen linearen thermischen Aus dehnungskoeffizienten von 23 bis 25 . 10-6 besitzt, sinkt derselbe nach einmaliger Glühung auf 20 - 10-6 bis 22 - 10-6. Nach zweimaliger Glühung auf 18 - 10-6 bis 20 - 10-6.
Der Effekt weiterer Glü- hungen wird immer geringer, und es ist im Hinblick auf den ins Auge gefassten Verwendungszweck ab zuwägen, wie weit die dadurch erzielte Senkung zu dem grösseren Aufwand, z. B. für Präzisionslager, in einem angemessenen Verhältnis steht. Hinsichtlich der Härte der Legierungen ist ein Kupfergehalt von 1;1 bis 1/6 des Aluminiumgehaltes am besten.
Um die Zerfallsvorgänge beim Glühen zu be schleunigen, kann man die Temperaturen während des Glühens mehrmals zwischen 150 und 275 C schwanken lassen. Bei diesem Pendelglühen muss natürlich die Temperatur nicht bis auf 150 C sinken bzw. bis auf 275 C steigen, sondern es kann die Temperatur in :einem Bereich schwanken, der zwi schen diesen beiden Werten liegt.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass es, bisher nicht gelungen ist, genau festzustellen, ob bei 21010 oder 22% Al das Eutektoid, in der Zeichnung mit c bezeichnet, erhalten wird. Es ist daher die Angabe 21'% nur als Annäherungswert hiefür zu betrachten.