DD250952B3 - Mangan-aluminium-mehrstoffbronze fuer hochverschleissbeanspruchte konstruktionsteile - Google Patents
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Description
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für hochverschleißbeanspruchte Konstruktionsteile der Umform-, Spritz- und Lagertechnik, insbesondere für Preßformen und Düsen der metall- und plastverarbeitenden Industrie, Kokillen, Kolben, Lager, Lagerschalen, -steine, -schrauben, -käfige. Gleit- und Kugellager, Schnecken- und Zahnräder, allgemeine Werkzeuge z. B. Schraubenschlüssel.
Für das gesamte Anwendungsgebiet haben sich seit Jahren Legierungen aus Kupfer- und Beryllium bewährt. Vielfach werden die Teile aus Halbzeugen gefertigt (K.Eichhorn, niedriglegierte Kupferlegierungen, Deutsches Kupferinstitut 1966, S. 108-142, 282-292) oder auch im Gießverfahren hergestellt (E.Brunhuber, Schmelz- und Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen, Fachbuchverlag Schiele & Schön GmbH, Berlin 1968, S.217-221). Kupfer-Beryllium-Legierungen zeichnen sich durch einen ausgeprägten Aushärtungseffekt aus, auf dessen Basis es möglich ist, die mechanischen Eigenschaftne in weiten Grenzen zu variieren und insbesondere eine hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen. Zur Gewährleistung hoher Härte und Verschleißfestigkeit werden Knetlegierungen nach hohem Grad der Verformung (Kaltverfestigung) lösungsgeglüht und ausscheidungsgehärtet.
Bei Gußlegierungen werden hohe Festigkeiten durch erhöhte Berylliumgehalte und Zugabe weiterer Legierungselemente erzielt. Nach dem Gießen sind diese Legierungen aufgrund ihrer Härte nicht mehr formbar.
Zunehmend finden zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit Legierungselemente wie Co (bis 2,7%) und/oder Ni Anwendung in Cu-Be-Legierungen.
Besonders in der amerikanischen (DE-OS 2129101,2129102) und japanischen Wirtschaft (DE-OS 1903711,1903712) wurden erstmalig Legierungen auf der Basis CuAI für hohe Verschleißbeanspruchungen vorgeschlagen. In diesen Legierungen wurden ebenfalls Be, Co zulegiert und/oder zur weiteren Verbesserung Si, Sn, Zr, Ce, Mn, Fe, Ni, Ti beigegeben. In den genannten Offenlegungsschriften wird auf die Bedeutung der Gefügeausbildung eingegangen. Teilweise werden die hohen mechanischen Eigenschaften von etwa 1000 MPa Bruchfestigkeit und 400 HB Härte allerdings nur erreicht, wenn das Material kalt oder warm verformt wurde. Dabei sank jedoch die Dehnung zum Teil bis 0% ab. Aufgrund dieser Bedingungen kann dieses Material überwiegend nur für einfach gestaltete Teile eingesetzt werden.
Eine hochverschleißfeste Legierung (DD-WP 155701) mit einer Bruchfestigkeit bis 850MPa wurde in der DDR für Umformwerkzeuge entwickelt. Sie hat bereits erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen Legierugnen. Sie ist aber für Spezialanwendungsfälle(z. B. Düsenlagerkäfige) noch nicht verschleißfest genug. Eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit durch Wärmebehandlung ist bei hochfesten Gußlegierungen ungebräuchlich, da keine nennenswerten Festigkeits- und Härtesteigerungen erreicht werden. Wärmebehandlungen werden in erster Linie an kalt- oder warmverfestigten Teilen im Sinne eines Weichglühens oder als Vergütung bei mittelfesten Legierungen (bis ca. 700MPa) vorgenommen.
Die bisher verwendeten Werkstoffe und Verfahren haben eine Reihe von Nachteilen:
- hoher Cu-Anteil,
- hoher Anteil der Speziallegierungselemente Be, Co, Ce, Cr, Ti, Zr, Sn, Ni, Si,
- Verwendung des giftigen Legierungselementes Beryllium,
- sehr hohe Härte,
- schwere Bearbeitbarkeit nach der Wärmebehandlung,
- Verzug der fertigbearbeiteten Teile durch Wärmebehandlung,
- geringe Zähigkeit und damit anfällig gegen dynamische und Stoßbelastungen,
- zu geringe Verschleißfestigkeit der Legierung auf der Basis CuAI,
- hoher Arbeitsaufwand (insbesondere Zerspanungsarbeit) beim Einsatz von Halbzeugen,
- die Werkstoffe sind last ausschließlich nur im wärmebehandelten Zustand einsetzbar,
- schwierige Beherrschung der Behandlungsverfahren (Wärmebehandlung, Umformung) zur Erzeugung der gewünschten Eigenschaften,
- durch hohe Temperaturen energieaufwendige Wärmebehandlungsverfahren erforderlich,
- teure Materialzusammensetzung und Herstellung.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Mängel und Nachteile der bekannten Legierungen und Verfahren durch den Einsatz eines geeigneten Werkstoffes auszuschalten, d. h., vor allem den Einsatz des sehr giftigen und teuren Legierungselementes Beryllium und der teuren Speziallegierungselemente, wie Co, Ce, Cr, Ti u. a. gleichwertig Elemente zu vermeiden und darüber hinaus den hohen Cu-Anteil von über 90% abzusenken.
Überwiegend soll der Werkstoff bereits im Gußzustand gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Verschleißfestigkeit erhalten. Der Werkstoff soll weiterhin prinzipiell in gegossenem Zustand einsetzbar sein und über eine gute Zerspanbarkeit verfügen.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung für hochverschleißfeste Konstruktionsteile der Umform-, Spritz- und Lagertechnik auf der Basis einer Ma-Al-Mehrstoffbronze zu entwickeln, die eine Minderbruchfestigkeit von 800MPa, eine Mindestdehnung von 2,0% und eine Härte von mindestens 200 HB aufweist. Dabei sollen folgende Nachteile ausgeschlossen werden:
- die Verwendung des giftigen und teuren Legierungselementes Beryllium,
- großer Anteil in der Zusammensetzung (über 90%),
- Einsatz der teuren Speziallegierungselemente Cu, Ce, Cr, Ci, Zr, Sn, Ni,
- geringe Zähigkeit (unter 2,0%) und damit die Stoßempfindlichkeit,
- hoher Zerspanungsaufwand durch Herausarbeiten der Formteile aus Halbzeugen und durch Bearbeitung bei sehr hohen Härten nach der Wärmebehandlung,
- Kalt- oder Warmumformungen,
- komplizierte und teure Gieß- und Veredlungsverfahren. Insbesondere sollen damit erreicht werden:
- gute Verarbeitungseigenschaften,
- Ausschließen des Einsatzes von giftigen und teuren Legierungselementen,
- hohe Verschleißfestigkeit,
- große Standzeiten der Teile.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß auf der Basis einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung von 10,00 bis 14,0% Mn 4,60 bis 9,0% Zn 0,65 bis 6,0% Fe 0,50 bis 3,0% Ni 6,50 bis 9,0% Al 0,04 bis 0,3% C Rest % Cu
und folgender Mengenverhältnisse von AI:Mn = 1,0:1,2-1,8
AhZn = 1,0:0,6-1,3
Zn.Mn S 1,0:1,3
Al + Mn + Zn = 24,0-28,0% Ni:Fe & 1,0:1,3
Fe + Mn a 12,0%
ein dreiphasiges Gefüge vorhanden ist, das mindestens 80% Beta-Phase, mindestens 5% Kappa-Phase (Korndurchmesser <10μιη) sowie mindestens 10% Alpha-Phase aufweist, wobei Alpha- und Beta-Phase fein im Gefüge verteilt vorliegen und die Beta-Korngrenzen mit bandartigen Alpha-Ausscheidungen (Breite 2-10μιη) besetzt sind. Eine Legierung mit der genannten chemischen Zusammensetzung und Mischungsverhältnisse besitzt bei Einhaltung der vorgeschlagenen Gefügestrukturfolgende mechanische Grundeigenschaften: Bruchfestigkeit RM = 800-950MPa Bruchdehnung АБ = 6,0-2,2% Härte HB = 230-300.
Diese Gußlegierung verfügt über eine hohe Verschleißfestigkeit, und sie ist gleichermaßen im Gußzustand gut verarbeit- und zerspanbar.
Die Ursache dieses positiven Verhaltes der Legierung liegt im erreichten genauen definierten Gefüge begründet. Im Grundgefüge der Matrix aus Beta-Primärkörnern befinden sich feine nadlige Gefügebestandteile der Alpha-Phase und Modifikation der eisen-manganreichen Kappa-Phase geringer Korngröße. Die Anwesenheit der Kappa-Teilchen bewirkt gleichzeitig die Herausbildung einer insgesamt feinkörnigen Gefügestruktur, wodurch die Festigkeit der Legierung steigt. Die an den Beta-Korngrenzen vorhandenen bandartigen zähen Alpha-Ausscheidungen rufen eine Korngrenzendoktilität hervor,die sich positiv auf die Zähigkeit der Legierung auswirkt.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an mehreren Ausführungsvarianten in tabellarischer Aufstellung verdeutlicht werden.
Legierungselemente
in Ma.-% I И IH
Daraus resultieren folgende mechanische Eigenschaften im Gußzustand:
Mechanische Eigenschaften I Il III
Bruchfestigkeit Rm (MPa) 937 919
Bruchdehnung A5 (%) 2,5 3,3 6,2
Härte HB 296 291
Variante I und Il vorzugsweise für Düsen und Werkzeuge, Variante III vorzugsweise für Lager.
| 12,00 | 11,87 | 12,10 |
| 8,05 | 8,60 | 6,60 |
| 2,62 | 2,61 | 4,01 |
| 1,85 | 1,72 | 1,93 |
| 7,44 | 7,25 | 7,10 |
| 0,29 | 0,17 | 0,11 |
| Rest | Rest | Rest |
Claims (1)
- Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für hochverschleißbeanspruchte Konstruktionsteile der Umform-, Spritz- und Lagertechnik auf der Basis einer Legierung der chemischen Zusammensetzung von10,00 bis 14,0% Mn 4,60 bis 9,0% Zn 0,65 bis 6,0% Fe 0,50 bis 3,0% Ni 6,50 bis 9,0% Al 0,04 bis 0,3% C Rest % Cuund folgender Mengenverhältnisse von AhMn = 1,0:1,2-1,8Al:Zn = 1,0:0,6-1,3Zn:Mn g 1,0:1,3Al + Mn + Zn = 24,0-28,0% Ni:Fe S 1,0:1,3Fe + Mn ^ 12,0%sowie eines dreiphasigen Gefüges, dadurch gekennzeichnet, daß das dreiphasige Gefüge aus mindestens 80% Beta-Phase, mindestens 5% Kappa-Phase (Korndurchmesser <10μιτι) sowie mindestens 10% Alpha-Phase besteht, wobei Alpha- und Beta-Phase fein im Gefüge verteilt und die Beta-Korngrenzen mit bandartigen Alpha-Ausscheidungen (Breite 2—10 цт) besetzt sind.
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