Aluminiumbronze mit hoher Verschleissfestigkeit

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumbronze für das Anwendungsgebiet der Synchronringe.

[0002] Aluminiumbronzen sind aufgrund ihrer guten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit ein geschätzter Konstruktionswerkstoff, insbesondere auch in flüssigen Medien.

[0003] Es ist beispielsweise aus der DE PS 26 21 602 eine Aluminiumbronze mit 4 - 12 Gewichtsprozent Al, Spuren bis 1% Si und/oder Be in fester Lösung sowie 4,2-10% Eisensilizid, Rest Kupfer bekannt. Im Falle der Verwendung von Beryllium können bis zu 6% nicht an Eisensilizid gebundenes Eisen verwendet werden. Diese Legierung kann außerdem Nickel in einer Menge bis höchstens 7% enthalten. Bei dieser bekannten Legierung steht die Frage der Zugfestigkeit und einer hohen prozentualen Dehnung im Vordergrund. Sie ist verwendbar für gleitende Teile in Walzwerken, Werkzeugmaschinen und dergleichen.

[0004] In dieser Druckschrift ist ferner auch die Verwendung von Mangansiliziden anstatt von Eisensiliziden erwähnt. Im Hinblick darauf, daß die prozentuale Dehnung, welche beim Gegenstand dieser Druckschrift eine wesentliche Rolle spielt, diese Dehnung sich jedoch wegen der starren Mangansilizide verringert sind Mangansilizide für den gewünschten Zweck nicht geeignet. Es wird die Hoffnung geäußert, daß die prozentuale Dehnung steigen würde, wenn das Mangansilizid in zumindest angenähert kugelförmigen Kristallen auskristallisieren würde. Man hat damals jedoch keine Lösung für eine Legierung mit diesen Eigenschaften gesehen.

[0005] Der bei dieser Druckschrift verwendete Begriff "Verschleißfestigkeit" bezieht sich auf eine Beständigkeit gegen Abtrag durch Korrosion.

[0006] Aluminiumbronzen haben gegenüber sonstigen Kupferlegierungen, z.B. Messingen den Vorteil, daß aufgrund des verwendeten Aluminiums eine Reduzierung des Teilegewichts möglich ist. Derartige Legierungen sind oxidationsbeständig aufgrund einer durch das Aluminium verursachten Schutzschicht. Aluminiumbronzen sind darüber hinaus hoch belastbare und verschleißfeste Gleitwerkstoffe, ihre hohe Festigkeit führt aufgrund der guten Gleiteigenschaften zu einer geringen Verschleißrate. Darüber hinaus sind Aluminiumbronzen gut schweißbar.

[0007] Es ist nun Aufgabe der Erfindung eine Aluminiumbronze zu schaffen, welche abweichend von den bekannten Aluminiumbronzen gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegen reibenden Verschleiß und einen hohen Reibungsbeiwert für den Einsatz bei Synchronringen besitzt.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Legierung vor aus 7,5 - 10% Al, 5 - 14% Mn, 1,5- 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1%. Alle Angaben erfolgen in Gewichtsprozent.

[0009] Wesentlich für die Erfindung ist das Vorhandensein von ausreichend Silizium in Verbindung mit einem hohen Mangangehalt, wodurch es zu harten intermetallischen Phasen kommt, welche eine hohe Beständigkeit gegen reibenden Verschleiß besitzen.

[0010] Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Aluminiumbronze ergibt sich dadurch, daß sie zusätzlich einen Gehalt von 5 - 9% Fe aufweist.

[0011] Eine Weiterbildung der erstgenannten Legierung weist einen Gehalt von 8 - 9 % Al, 12 - 13% Mn und 3 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1% auf.

[0012] Eine Weiterbildung der zweitgenanntnen Legierung sieht vor, daß sie einen Gehalt von 8 - 9% Al, 7 - 8% Fe, 5 - 7% Mn und 3 - 4 % Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1% aufweist.

[0013] Mit Legierungen der vorgenannten Zusammensetzung lassen sich Verschleißfestigkeitswerte erzielen, welche ein mehrfaches jener von bisher üblichen Messingwerkstoffen für Synchronringe betragen. Der Reibungsbeiwert dieser Legierungen liegt zum Teil noch höher als jener der bekannten Werkstoffe, ist zumindest jedoch gleich. Durch die erfindungsgemäßen Aluminiumbronzen wird daher ein erheblicher Fortschritt gegenüber den bisher bei Synchronringen verwendeten Messingwerkstoffen erzielt.

[0014] Zur Verbesserung der Zerspanbarkeit wird als Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aluminiumbronze ein Zusatz bis zu 0,5% Blei vorgesehen.

[0015] Nachfolgend werden beispielhaft vier im Versuch hergestellte Legierungen erläutert, eine davon betrifft den Typ MnSi, die drei anderen den Typ FeMnSi.

[0016] Die erstgenannte Legierung weist einen Gehalt von 74,5% Cu, 8,8% Al, 12,5% Mn und 3,2% Si auf. Sie besitzt einen Verschleißwiderstand von 2680 km/g sowie einen Reibungsbeiwert von 0,115. Der angegebene Verschleißwiderstand ist definiert durch die Zahl der zurückgelegten Kilometer bis 1g Materialabtrag am Synchronring erfolgt ist.

[0017] Von den Legierungen des Typs FeMnSi weist eine erste Versuchslegierung eine Zusammensetzung von 75,4% Cu, 9,0% Al, 5,2% Fe, 7,1% Mn und 3,3% Si auf. Diese Legierung hat einen Verschleißwiderstand von 2950 km/g. Ihr Reibungsbeiwert beträgt 0,116.

[0018] Die zweite Versuchslegierung des Typs FeMnSi besitzt einen Gehalt von 76,0% Cu, 8,2% Al, 7,2% Fe, 5,2% Mn und 3,1% Si. Ihr Verschleißwiderstand beträgt 2530 km/g, ihr Reibungsbeiwert 0,130.

[0019] Eine dritte Versuchslegierung des Typs FeMnSi besitzt einen Gehalt von 83,6% Cu, 7,7% Al, 4,7% Fe, 2,5% Mn, 1,5% Si. Ihr Verschleißwiderstand beträgt 950 km/g, ihr Reibungsbeiwert 0,115.

[0020] Man erkennt, daß höhere Gehalte an Eisen, Mangan und Silizium vorteilhaft für einen hohen Verschleißwiderstand sind.

[0021] Diese Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen sind in Vergleich zu setzen mit den Eigenschaften derzeit am Markt befindlicher sehr guter Messinglegierungen für Synchronringe, bei denen der Verschleißwiderstand etwa 650 -700 km/g und der Reibungsbeiwert etwa 0,115 bis 0, 120 beträgt.

[0022] Wie schon erwähnt, ist Silizium für die Bildung der harten verschleißfesten intermetallischen Phasen verantwortlich. Es soll kein freies Silizium in der Lösung vorhanden, sondern durch Eisen und Mangan abgebunden sein. Eisen und Mangan begünstigen zudem die Aushärtungsvorgänge.

[0023] Diese vorbeschriebenen Legierungen wurden bei einer Gießtemperatur von 1120 bis 1180° C im Strang gegossen; anschließend erfolgt ein Abkühlen an Luft, wobei die Abkühlgeschwindigkeit unkritisch ist. Nach erneutem Aufheizen erfolgt eine Warmumformung durch Strangpressen bei Temperaturen von 800 bis 900° C und eine erneute Abkühlung an Luft. Schließlich wurde nach erneutem Aufheizen bei Temperaturen von 790 bis 890° C im Gesenk geschmiedet und die Legierung anschließend an Luft abgekühlt.

[0024] Aluminiumbronzen eignen sich im Gegensatz zu Messinglegierungen für eine Aushärtung zur Festigkeitssteigerung; wenn eine solche gewünscht ist, kann man nach dem Schmieden der Legierung alternativ wie folgt vorgehen.

a) Es wird eine Homogenisierungsglühung bei 900° C während einer Stunde durchgeführt. Anschließend erfolgt ein Abschrecken, vorzugsweise im Wasser, und anschließend ein erneutes Anlassen bei einer Temperatur von 490° C während einer Zeit von einer Stunde und zum Schluß ein Abkühlen an Luft.

b) Unmittelbar auf die Abkühlphase nach dem Schmieden wird unter Weglassung der Homogenisierungsglühung sofort die Auslagerungsbehandlung bei einer Temperatur von 330° C während 6 Stunden oder alternativ bei 410° C während 3 Stunden begonnen, und anschließend die Abkühlung an Luft durchgeführt. Bei diesem Aushärtungsverfahren sind die Härtesteigerungen nicht ganz so groß wie im Falle des vorbeschriebenen Verfahrens, aufgrund des Wegfalls der Homogenisierungsglühung ist dieses Verfahren jedoch kostengünstiger.

[0025] Neben der Verringerung des Abtrags auf den Reibflächen der Synchronringe aufgrund des höheren Verschleißwiderstandes erfolgt auch aufgrund der höheren Festigkeit ein geringerer Verschleiß an den Sperrzähnen der Synchronringe.

[0026] Die Form der intermetallischen Phasen ist bei dem Legierungstyp MnSi mehr nadelig hingegen beim Legierungstyp FeMnSi mehr kugelig. Legierungen des Typs FeMnSi besitzen dementsprechend eine bessere Zähigkeit und Duktilität als Legierungen des Typs MnSi. Die Härtesteigerungen beider Legierungstypen durch die vorgenannten Wärmebehandlungen sind nicht ganz so hoch wie jene einer Aluminiumsbronze des Legierungstyps FeNiSi, der in einer Parallelanmeldung beschrieben ist.

Ansprüche

1. Aluminiumbronze bestehend aus 7,5 - 10% Al, 5 - 14% Mn, 1,5 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1%, mit hoher Beständigkeit gegen Verschleiß und hohem Reibungsbeiwert, als Werkstoff für Synchronringe.

2. Aluminiumbronze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt von 5 .- 9 % Fe aufweist.

3. Aluminiumbronze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt von 8 - 9% Al, 12 - 13% Mn und 3 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1% aufweist.

4. Aluminiumbronze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt von 8 - 9% Al, 7 - 8% Fe, 5 - 7% Mn und 3 - 4% Si, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen bis insgesamt 1 % aufweist.

5. Aluminiumbronze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 0,5% Pb zugegeben sind.