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Verwendung von aushärtbaren und verformungsfähigen phosphorhaltigen
Kupferlegierungen für auf Gleitung und Verschleiß beanspruchte Gegenstände In der
Technik besteht ein großes Bedürfnis an Kupferlegierungen, die sich durch eine hohe
Verformungsfähigkeit auszeichnen, so daß beispielsweise im kaltgezogenen Zustand
noch zusätzliche Verformungsarbeiten möglich sind. Die Legierungen sollen ferner
einen hohen Korrosionswiderstand aufweisen. Vielfach ist auch erwünscht, daß die
Legierungen mit hoher Verformungsfähigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit
einen großen Leitwert für Wärme besitzen und außerdem gute Gleiteigenschaften haben.
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Für die vorerwähnten Zwecke wurden bisher vielfach aushärtungsfähige
Kupferlegierungen benutzt, die Nickel und Silizium aufweisen. Die Werkstoffe haben
jedoch den Nachteil, daß ihre Verarbeitung infolge gewisser Sprödigkeitsbereiche
beim Anlassen außerordentlich umständlich ist und daß sie ferner im ausgehärteten
Zustand eine verhältnismäßig geringe Dehnung aufweisen und schließlich nur für eine
hin- und hergehende Bewegung, nicht aber für eine gleichförmige rotierende Bewegung
brauchbar sind, falls sie auf Gleitreibung beansprucht werden.
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Zwecks Verbesserung der Gießbarkeit und zur Erlangung einer erhöhten
Sicherheit für die Durchführung der Vergütbarkeit ist auch schon den eisenhaltigen
Kupferlegierungen Phosphor zugesetzt worden. Die Phosphormengen sollen zur Erreichung
von insbesondere der zuletzt erwähnten Eigenschaft größer sein, als es die Bildung
des Eisenphosphids (Fe3P) bedingt.
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Phosphorhaltige Kupferlegierungen sind weiterhin auch schon mit Zusätzen
an Mangan oder einem anderen Metall der Eisengruppe in Mengen bis zu 1,5% als Werkstoff
zur Herstellung von Gegenständen empfohlen worden, die weich gelötet werden sollen.
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Der Fachwelt war es ferner nicht unbekannt, phosphorhaltige Kupferlegierungen
mit Metallen der Eisengruppe in Mengen von 0,2 bis 45%, die ein metallisches Phosphid
mit Phosphor zu bilden vermögen, zu vergüten und zu verkneten, so daß sie bessere
mechanische Eigenschaften, wie z. B. eine Steigerung der Festigkeit und Härte sowie
Dehnung, erfahren.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß Legierungen,
die aus 0,05 bis 3 % Phosphor, 0,2 bis 18% Mangan und/oder Eisen, Kobalt, Nickel,
Rest Kupfer, bestehen und die gegebenenfalls auch noch Blei in Mengen von 0,1 bis
3o/oenthalten können, als Werkstoffe für die Herstellung von Gegenständen Anwendung
finden, die sich durch gute Gleiteigenschaften, einen hohen Verschleißwiderstand,
hohe `\,' echselfestigkeit - sowohl in der Kälte als in der Wärme - und durch einen
hohen Korrosionswiderstand auszeichnen. Derartige Legierungen sind aushärtbar und
verformungsfähig. Sie sind an sich bekannt. Es war bisher jedoch noch nicht erkannt
worden, daß gerade eine derartige Zusammensetzung der Kupferlegierungen, bei welcher
der Phosphorgehalt und der Betrag an Phosphid bildenden Metallen in einem stöchiometrischen
Verhältnis zueinander stehen, für Gegenstände zu empfehlen ist, die einer gleitenden
Beanspruchung unterworfen werden. Empfohlen wird, das Verhältnis von Mangan zu Phosphor
in den Grenzen 4:1 bis 6:1 zu wählen.
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Um das Phosphid in Lösung gehen zu lassen, müssen die Temperaturen
auf eine Höhe entsprechend der vorhandenen :Mengen von Phosphor und Phosphid bildenden
Metallen gebracht werden. Dies kann dadurch geschehen, daß die Legierungen nach
dein Gießen oder auch nach einer Warmbehandlung einem Schmiede- oder Knetvorgang
unterworfen werden und nach dem Erkalten auf eine Temperatur über 700° C erhitzt
werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß die Legierungen aus der Schmiede-
oder Preßhitze auf diese Temperatur gebracht werden. Vorzugsweise wird eine Temperatur
gewählt, die etwa zwischen 700 und 950° C liegt. Die Legierungen werden dann entweder
durch Wasser oder Preßluft beschleunigt abgekühlt. Es hat sich gezeigt, daß die
Legierungen in diesem Zustand größte Weichheit und Verformungsfähigkeit im kalten
Zustand aufweisen. Infolge der Lösung der Phosphide liegt der Leitwert für Wärme
verhältnismäßig tief. Um den in Frage kommenden Legierungen die an sich bekannten
guten mechanischen Eigenschaften zu verleihen, werden sie einer Glühung und anschließendem
Abschrecken auf Temperaturen zwischen 300 und 600° C, vorzugsweise 400 bis 550°
C (Warmaushärtung), in an sich bekannter
Weise unterworfen. Gegebenenfalls
kann jedoch auch eine Kaltverformung, wie z. B. ein Walzen, Ziehen oder Schmieden,
vor der Warmaushärtung eingeschoben werden.
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Die Herstellung der als bekanntangesehenen Legierungen erfolgt vorteilhaft
so, daß zunächst mit den üblichen technischen Hilfsmitteln Kupfer unter oxydierenden
Verhältnissen erschmolzen wird und anschließend durch Zusatz von Phosphor sowohl
eine Desoxydation als auch ein Auflegieren auf den gewünschten Phosphorgehalt stattfindet.
Anschließend können die phosphidbildenden Begleitelemente, wie beispielsweise Mangan,
in Form des reinen Metalls oder, vorteilhafter, in Form einer Vorlegierung einlegiert
werden. Ein Abbrand des Phosphors ist tunlichst durch Nachgattieren auszugleichen.
Unter einer Holzkohlendecke wird die Legierung anschließend im Einzelguß oder auch
kontinuierlichen Gießverfahren zu Blöcken oder Barren beliebiger Form und Größe
vergossen. Es können aber auch Einzelteile im Band-, Kokillen- oder Spritzguß hergestellt
werden.
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Die durch Schmieden oder Kneten weiterzuverarbeitenden Erzeugnisse
werden entweder sofort in der Gießhitze oder nach ihrer Abkühlung durch ein Wiedererwärmen
auf Temperaturen gebracht, die über der Löslichkeitsgrenze liegen. Mittels Strangpressen
oder Schmiedewerkzeugen erfolgt dann ein Weiterverarbeiten.
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Um die Legierungen in einen ausscheidungsfähigen Zustand zu bringen,
ist es notwendig, entweder sofort aus der Gieß-, Preß- oder Schmiedehitze Gußteile,
Stangen, Rohre oder Preßteile in Wasser abzuschrecken oder langsam an Luft erkalten
zulassen und auf eine Temperatur über 750° C zu erwärmen, um sie c'ann beschleunigt
abzukühlen. Durch eine derartige Abschreckbehandlung gelingt es, dem Werkstoff eine
außerordentlich große Weichheit zu verleihen. Die Brinellhärte des in diesem Zustand
vorliegenden Werkstoffes liegt zwischen 45 und 90 kg/mm2. Die Dehnungs- und V erformungsfähigkeit
in diesem Zustand ist sehr hoch, so daß die Legierungen durch Pressen, Walzen oder
Ziehen sehr stark verfestigt werden können, ohne dabei Gefahr zu laufen, das Verformungsvermögen
zu erschöpfen. Obwohl der Werkstoff, der sich kalt bearbeiten läßt, z. B. bei der
Herstellung von Sechskantköpfen an Schraubenbolzen durch Anstauchen in diesem Zustand
bereits über hohe Festigkeitswerte verfügt, kann er durch Anlassen bei Temperaturen
zwischen 300 und 600° C noch eine weitere Festigkeitssteigerung erfahren, wobei
überraschenderweise eine Zunahme der Dehnung gegenüber dem kaltverformten Zustand
eintritt.
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Bei der Warmaushärtung ist darauf zu achten, daß den niedrigen Anlaßtemperaturen
längere Glühzeiten zugeordnet werden müssen als hohen Anlaßtemperaturen. Eine Verlängerung
der Glühdauer bei niedriger Temperatur wirkt in gleichem Maße wie eine Erhöhung
der Glühtemperatur bei verminderter Glühzeit. Vorzugsweise wird die Warmaushärtungstemperatur
zwischen 400 und 500° C und die Anlaßzeit zwischen einer halben Stunde und 5 Stunden
liegen. Nach dieser Warmaushärtung kann der Werkstoff entweder mit Wasser abgeschreckt
oder auch normal abgekühlt werden.
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Die: Brinellhärte im kaltgezogenen und anschließend warmausgehärteten
Zustand liegt je nach dem Gehalt an Phosphid zwischen 100 und 300 kg/mm2 und die
Zugfestigkeit zwischen 30 und 100 kg/mm2 bei Dehnungen zwischen 5 und 25 0/0.
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Durch die Anlaßbehandlung wird nicht nur die Dehnung des Werkstoffes
erhöht, sondern es tritt auch eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit ein. Gleichzeitig
werden durch diese Warmbehandlung auch die Gleiteigenschaften so verbessert, daß
sich die Legierungen nicht nur für hin- und hergehende, sondern auch für gleichförmig
drehende Gleitbewegungen eignen, Infolge der hohen mechanischen Festigkeit ist der
Abnutzungswiderstand sehr groß.
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Mitunter ist die hohe Zähigkeit unerwünscht. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn der Werkstoff einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen werden
soll. In solchen Fällen wird den Legierungen als spanbrechendes Element Blei zugesetzt,
vorzugsweise in Mengen von 0,1 bis 3%.
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Das Anwendungsgebiet der in Frage kommenden phosphorhaltigen Kupferlegierungen
erstreckt sich auf Gegenstände, die gute Gleiteigenschaften bei hohen mechanischen
Festigkeiten und großen Verschleißwiderstand aufweisen müssen, also auf Werkstücke,
die auf gleitende und rollende Reibung beansprucht sind, wie z. B. Gleitlager, Schwinglager,
Kupplungs-und Bremslamellen.
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Da die Warmaushärtungstemperatur sehr hoch liegt, weist der Werkstoff
auch eine hohe Warmfestigkeit auf. Die aus den in Frage kommenden Kupferlegierungen
herzustellenden Werkstücke können sowohl als Einstoffteile als auch in Form von
Verbundteilen mit einer zusätzlichen Stütz- oder Plattierschicht hergestellt werden.